产业技术综合研究所竹间深津【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）生物机能工程研究部【所长：岩仓正宏】生物共生相互作用研究组组长领导的研究小组鉴定出一种在蜜蜂、蚂蚁等社会性蚜虫类中特异表达的蛋白酶（蛋白水解酶），并揭示其是士兵攻击外敌时注射的毒液。
本研究旨在阐明水兵蚜分化的分子机制以及水兵蚜特异性生物学功能的分子基础，是首次揭示水兵蚜特异性表达基因的研究。这种蛋白酶是一种源自至今尚未被探索过的独特生物体的生理活性物质，其发现可以说为生物体的社会性、利他类的功能和进化、以及生物毒素的起源和进化提供了新的见解。
该研究成果发表在美国学术期刊``美国国家科学院院刊：PNAS''（《美国国家科学院院刊》），7 月 26 日※以在线版本发布。
※ Kutsukake M、Shibao H、Nikoh N、Morioka M、Tamura T、Hoshino T、Ohgiya S、
Fukatsu T (2004) 用于群体防御的蚜虫有毒蛋白酶。过程。国家。科学学院。美国 101 (31): 11338-11343.
地球上充满了各种各样的生物，每一种生物都在进化过程中获得了独特而复杂的生物功能。如此多样而巧妙的生物功能不仅是科学好奇和探索的对象，而且具有美学价值。生理活性物质和医学先导化合物在某些情况下，它会产生巨大的应用和经济价值。生物多样性的这一方面通常用“生物遗传资源”一词来描述。然而，与现有的大量生物多样性相比，迄今为止人类实际探索、研究和利用的生物体只是冰山一角。
尤其是生物毒素，作为表现出剧烈作用的生理活性物质，长期以来引起了人们的极大兴趣。各种生物体已经发展出合成、储存和利用各种有毒物质的能力，以进行攻击、防御敌人和消灭竞争对手。迄今为止，人们已经研究了多种生物毒素，包括蛇毒、蝎毒、蜘蛛毒、蜂毒、河豚毒、贝类毒液，其中一些已被用作药物，但不言而喻，这些只是冰山一角。
蜜蜂、蚂蚁等群居昆虫一般来说，殖民地当我们想到社会性昆虫时，我们立即想到蜜蜂、蚂蚁和白蚁，但鲜为人知的事实是，一些蚜虫实际上是作为社会性物种存在的。
蚜虫是一种微小的昆虫，靠吸取植物的汁液而生存，通常在植物上形成大群。脆弱的蚜虫很容易成为多种肉食性昆虫的猎物，并且经常受到瓢虫、蝇幼虫和草蛉幼虫的攻击。大多数蚜虫只是保留猎物，但一些“社会性”蚜虫具有专门攻击的士兵幼虫（幼虫蜕皮后不生长），具有反击和击退捕食者并保卫群体的能力（见图1）。
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图 1 蚜虫的士兵幼虫正在攻击其天敌日本蜉蝣的幼虫。
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这些士兵幼虫的形成过程很有趣。蚜虫无需交配即可产生雌性后代。因此，蚜虫群体是基因相同的克隆个体的集合。尽管如此，同一母体所生的幼虫还是分化为士兵幼虫和正常幼虫，它们在形态、行为、繁殖能力等方面差异很大（见图2）。尽管基因库完全相同，但表型却如此不同，这一事实必定是由于基因使用方式（即表达模式）的差异所致。这意味着，通过鉴定一组在士兵幼虫中特异性表达的基因，我们或许能够阐明士兵幼虫与正常幼虫分化所涉及的分子机制，以及士兵特异性生物学功能的分子基础。从这个角度来看，我们选择了2龄的士兵级蚜虫[见图2]作为社会性蚜虫的模式种，并开始寻找士兵特异表达的基因。
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图2 蚜虫正常幼虫和士兵幼虫的比较。
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cDNA 消减的方法，我们寻找在蚜虫2龄士兵幼虫中大量表达，但在2龄正常幼虫中表达不多的基因。获得的克隆大部分是组织蛋白酶 B的蛋白酶的单个基因。该基因在士兵幼虫中的表达量比正常幼虫高约2000倍，在体内表达的部位是胃肠道。该基因的产物蛋白酶也专门在士兵中检测到，并且也位于胃肠道中。
至于这种蛋白酶在生物体内的作用，由于它存在于胃肠道中，所以有人可能认为它是一种蛋白质消化酶。然而，蚜虫所吃的植物汁液几乎不含蛋白质。而且，如果它参与消化的话，应该是正常幼虫生长和蜕皮所必需的，但这种蛋白酶在正常幼虫中几乎检测不到。换句话说，它极不可能发挥正常蛋白质消化酶的作用。考虑到其高度的士兵特异性表达，推测其与某种士兵特异性的生物功能有关。
蚜虫的士兵幼虫通过用嘴里的毒刺叮咬敌人来攻击敌人。受到攻击的敌人会扭动、瘫痪、动弹不得，最终死亡（见图 1 和 3A）。当我们分析被士兵幼虫攻击的蛾幼虫中的蛋白质时，我们检测到了大量的这种蛋白酶（见图 3B）。也就是说，士兵幼虫在攻击时，将这种蛋白质注射到了敌人的体内。为了研究这种蛋白酶本身是否具有杀虫活性，通过微生物学方法生产了重组蛋白。当注射这种重组蛋白酶时，蛾幼虫死亡，证明它确实具有杀虫活性。
这些结果表明，这种蛋白酶是一种用于群体防御的物质，这是士兵类的主要社会功能，是“士兵蚜虫毒液”的主要成分。
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图 3
(A) 蚜虫的士兵幼虫正在攻击蜜蛾幼虫。
(B) 通过免疫印迹检测士兵特异性蛋白酶。
1。从两只士兵幼虫中提取的蛋白质。检测到来自士兵的蛋白酶。
2。从被 30 只水兵幼虫攻击后瘫痪的蜜蛾幼虫中提取的蛋白质。在蛾幼虫中检测到注射的蛋白酶。
3。从与 30 只正常幼虫共存的蜜蛾幼虫中提取的蛋白质。在蛾幼虫本身中没有检测到蛋白酶。
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我们想阐明为什么这种士兵特异性蛋白酶表现出杀虫活性的分子基础。具体来说，通过创建在不同位点引入突变的重组突变蛋白酶，将其注射到蛾幼虫中并进行生物测定，将有可能阐明蛋白酶的哪些部分对于杀虫活性很重要。
关于这种蛋白酶的进化和起源的各种事实正在变得清晰。类似的蛋白酶也在与蚜虫密切相关的社会性蚜虫的士兵幼虫中特异表达，表明这些蚜虫的共同祖先中已经进化出了士兵特异性蛋白酶。据报道，毒蛇和毒贝蛋白的基因碱基序列经历了加速进化；分子进化分析同样来自14131_14143|加速进化模式被检测到。
这种蛋白酶可能在士兵幼虫和正常幼虫分化途径的最后阶段表达，并被认为是直接参与士兵功能的分子。进一步探索早期表达的士兵特异性基因也是必要的。
世界各地已知约 4,000 种蚜虫，其中约 50 种产生具有攻击性的士兵幼虫。未来的研究主题包括寻找各种兵蚜中的差异表达基因以及识别参与各种社会行为的分子。
这项研究成果是由AIST生物功能工程研究部生物共生相互作用研究组（以下简称Biosymbiosis G）和基因组工厂研究部分子表达调控研究组（以下简称分子表达G）组成的研究小组的成果。 Mayako Kutsukake（AIST生物共生组特别研究员），本研究的主要部分包括士兵蛋白酶的鉴定和功能分析； Harunobu Shibao（筑波大学生物共生组，日本学术振兴会研究员），兵蚜的生理分析； Shigeo Futakawa（日本开放大学副教授），士兵蛋白酶的分子进化分析；盛冈水惠（东京大学研究生院助教），士兵蛋白酶的结构分析； Tomohiro Tamura（基因工厂研究部基因表达工程研究组、研究组组长），士兵蛋白酶活性分析； Tamotsu Hoshino（遗传资源分析研究组（现为新能源与产业技术综合开发机构）生物功能工程研究部高级研究员），重组蛋白酶的结构分析； Ogiya Satoru（分子表达G，研究组组长），重组蛋白酶的生产； Takema Fukatsu（Biosymbiosis G，研究组组长），规划和监督整个研究。