《SCIENCE ADVANCES》：Opposing insulin signals underlie the same developmental switch across hemipteran insects
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本研究揭示了信號通路進化重排的新機制。針對“信號通路如何在對立活性下產生相同發育結果”這一核心問題，研究人員通過對歐洲紅蝽（Pyrrhocoris apterus）和褐飛虱（Nilaparvata lugens）進行系統的比較功能基因組學分析，發現胰島素/胰島素樣信號（IIS）通路通過相反的激活與抑制狀態，調控蛻皮激素生物合成，最終導向相同的長短翅表型轉換。這一發現挑戰了IIS通路普遍促進生長的傳統認知，并為理解進化發育的靈活性提供了關鍵見解。
在自然界中，生命展現出的多樣性令人嘆為觀止，但更令人著迷的是，相似的性狀或發育結局可能由完全不同的分子路徑“殊途同歸”。想象一下，如果兩個人要到達同一個目的地，一個選擇開車，一個選擇步行，最終卻神奇地同時抵達。在生物學領域，信號傳導通路在進化過程中就經常上演這樣的“戲法”。它們就像一個能夠靈活變通的工具箱，不同的物種為了應對環境挑戰，演化出不同的基因調控“工具組合”，卻能達成相同的發育“結果”，例如長出翅膀、決定性別或者塑造器官形態。這種進化上的“靈活性”是物種多樣性的重要源泉，但其背后的分子機制一直是個謎團。
其中，一種名為“翅膀多型性”的現象是研究這一謎題的絕佳模型。在半翅目昆蟲（如我們熟知的臭蟲、蟬、飛虱等）中，同一個物種的個體，在若蟲階段看起來幾乎一模一樣，最終卻可能發育成兩種截然不同的成蟲：有的擁有長而有力的翅膀，適合遠距離遷飛以尋找新家園或食物；有的則是翅膀短小甚至無翅，專注于在原地繁殖。這種“長短翅”的發育開關是如何被觸發的？更重要的是，在半翅目這個龐大的家族中，這種開關機制是獨立演化了很多次的。那么，不同的物種是否采用了不同的“分子開關”來控制相同的“翅膀開關”呢？這正是本篇發表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究所要解答的核心問題。
研究人員將目光聚焦于一個在動物界中極為保守且功能強大的信號通路——胰島素/胰島素樣信號（Insulin/Insulin-like signaling， IIS）通路。長久以來，從果蠅到小鼠再到人類，IIS通路都被認為是促進細胞增殖和器官生長的“油門”。然而，前期研究已經暗示，在調控翅膀多型性時，IIS通路在不同物種中似乎扮演著矛盾的角色。例如，在褐飛虱（Nilaparvata lugens）中，激活IIS通路會促進長翅發育；而在某些蝽類中，IIS通路的作用模式卻不清晰，甚至可能相反。這引發了一個深刻的科學問題：一個高度保守的通路，是如何在不同的物種中演化出對立的功能，卻最終導向相同的發育結局（長翅）？這背后是否存在一個共同的“翻譯器”或“整合器”？
為了回答這些問題，研究團隊選取了兩個代表性物種進行深入的比較研究：一種是歐洲紅蝽（Pyrrhocoris apterus），另一種是褐飛虱。這兩個物種分別屬于半翅目下不同的亞目，它們的翅膀多型性是獨立演化出來的，是研究“趨同進化”下分子機制異同的理想對比模型。
研究人員運用了多層次的現代生物學技術來剖析這一機制。首先，他們利用CRISPR-Cas9基因編輯技術，在紅蝽中成功構建了三個胰島素受體（InR）同源基因的敲除突變體，為后續功能研究奠定了基礎。其次，RNA干擾（RNAi）技術被廣泛應用于兩個物種中，用以系統性地敲低IIS通路中各個關鍵基因（如InR、Chico、PI3K、Akt、FoxO等）的表達，觀察其對翅膀表型的影響。為了探究IIS下游的調控網絡，研究還使用了雷帕霉素（TORC1抑制劑）進行藥理處理。進一步的，他們通過比較轉錄組學分析，對比了紅蝽和飛虱的長翅突變體與各自野生型的基因表達譜，以尋找共同的下游調控模塊。最后，借助液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）技術，他們精確測定了兩種昆蟲體內關鍵蛻皮激素（紅蝽為makisterone A，飛虱為20-羥基蛻皮酮，20E）的滴度，并通過外源激素注射實驗，驗證了激素在調控表型轉換中的核心作用。昆蟲樣本方面，紅蝽采集自中國新疆烏魯木齊，飛虱則來源于浙江杭州的水稻田種群。
研究結果部分揭示了IIS通路在兩個物種中完全相反的作用模式與共同的整合機制。
1. 在紅蝽中，IIS的失活促進長翅生長
通過CRISPR-Cas9突變和RNAi實驗，研究人員發現，敲除或敲低紅蝽的兩個關鍵InR基因（PaInR1a和PaInR2）或其下游的正調控因子PaChico、PaPi3k、PaPdk1，都會導致原本發育為短翅的個體幾乎全部轉為長翅。然而，敲低更下游的Akt或FoxO基因卻無此效果。相反，敲除IIS的負調控因子PaPten或在InR突變體背景下敲除TORC1通路的抑制因子PaTsc1/2，則會激活IIS/TORC1信號，將發育軌跡從長翅扭轉為短翅。這些結果表明，在紅蝽中，IIS通路通過InR-Chico-PI3K-PDK1-Tsc1/2-TORC1級聯反應，發揮了抑制長翅生長的作用，其失活反而促進長翅發育。這與經典模式（IIS促進生長）截然相反。
2. 在飛虱中，IIS的激活促進長翅生長
與紅蝽相反，在褐飛虱中，之前的研究已證實，敲低IIS通路正調控因子（如NlInR1、NlChico、NlPi3k、NlAkt）會抑制長翅發育，導致短翅；而敲低負調控因子FoxO則會促進長翅。這表明，在飛虱中，經典的InR-Chico-PI3K-Akt-FoxO級聯反應被用來激活IIS，從而促進長翅生長，符合傳統認知。
3. 相反的IIS活動通過蛻皮激素生物合成途徑整合為相同的輸出
盡管輸入信號（IIS激活或失活）相反，但兩個物種如何實現相同的長翅輸出？比較轉錄組學分析提供了一個關鍵線索：無論是紅蝽的IIS失活突變體（PaInR2De4）還是飛虱的IIS激活突變體（NlInR2E4），它們與各自野生型相比，都共同富集到了“昆蟲激素生物合成”通路，特別是蛻皮激素生物合成途徑。深入分析發現，兩個物種下調的具體基因不同：紅蝽下調的是Torso、Phantom和Disembodied；而飛虱下調的是Neverland、Spook和Cyp314A1。LC-MS/MS激素定量分析證實，兩種突變體都導致了體內主要蛻皮激素（紅蝽的makisterone A和飛虱的20E）滴度的顯著降低。外源激素拯救實驗則提供了決定性證據：向長翅命運的紅蝽PaInR2De4突變體注射makisterone A，或向長翅命運的飛虱NlInR2E4突變體注射20E，都能有效地將發育軌跡“扳回”短翅。
在討論與結論部分，本研究構建了一個全新的模型來解釋進化可塑性與發育穩定性如何共存。該模型的核心在于提出了一個“整合層” 的概念。具體而言：
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信號通路的進化重排：在物種分化的頂層，IIS通路本身表現出高度的進化靈活性。在飛虱中，它作為正調控因子通過Akt-FoxO軸工作；在紅蝽中，它卻演變為負調控因子，通過TORC1軸工作。這種“接線方式”的重排允許物種快速適應不同的生態環境和選擇壓力。
- 2.
激素通路的整合作用：蛻皮激素生物合成途徑作為關鍵的“整合層”，接收來自上層這些相反甚至多變的IIS信號輸入。通過調控該通路中不同的靶基因（物種特異性），最終將不同的輸入“翻譯”成統一的生理輸出：低水平的蛻皮激素。
- 3.
核心基因調控網絡的穩定執行：低水平的蛻皮激素這一統一信號，再向下游激活控制翅膀生長的核心基因調控網絡，穩定地誘導出長翅表型。一旦信號被整合層“翻譯”完畢，上層的IIS通路便與最終的器官生長“解耦”，從而獲得了更大的自由去演化。
這項研究的重要意義在于：
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挑戰了傳統范式：首次在動物中明確證實，IIS通路既可以促進也可以抑制器官生長，這取決于其如何與其他通路（如激素通路）耦合，拓寬了對生長調控機制的理解。
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揭示了進化發育的新機制：為“進化層蛋糕模型”增加了一個關鍵的“整合層”，闡明了高度可變的信號通路如何通過一個穩定的整合器（如激素通路）來產生保守的發育結果，從而調和了進化靈活性與發育穩定性之間的矛盾。
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具有廣泛的生物學啟示：該機制可能普遍存在于其他昆蟲多型性（如甲蟲角的大�。┠酥粮鼜V泛的生物現象中（如線蟲陰門發育、昆蟲背腹軸確立、脊椎動物性別決定等），為理解自然界中“殊途同歸”的進化現象提供了統一的框架。
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連接生態與發育：研究暗示，IIS作為營養感應通路，其靈活演化可能幫助昆蟲應對不同棲息地（如紅蝽的灌木叢與飛虱的稻田）的資源差異，而蛻皮激素整合層則確保了在不同環境下都能產生適應性的表型可塑性。
總之，這項研究以昆蟲翅膀多型性為窗口，精彩地演繹了生命如何通過“靈活的信號輸入層”、“穩健的激素整合層”和“保守的發育執行層”這三層架構，在變幻莫測的環境中，既保持了關鍵性狀的穩定性，又獲得了應對多樣挑戰的進化自由度。
