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组织蛋白酶D (cathepsin D，CTSD/CathD/CATD) 是一种溶酶体天冬氨酸蛋白酶，在溶酶体中消化废弃的蛋白质以维持细胞的健康状态，CTSD在不同的生理和病理条件下还具有促凋亡和促增殖的双重功能，即以成熟形式（m-CTSD）进入胞浆，激活caspases，引起细胞凋亡，以酶原形式（pro-CTSD）分泌到细胞外，以非蛋白酶的功能促进细胞增殖，在乳腺癌及其他肿瘤的发生和转移中发挥作用。因此，CTSD的表达、成熟和分泌是决定其促凋亡或促增殖功能的关键，但是其调控机制却不清楚。全变态昆虫在从幼虫变为成虫的变态发育过程中变态发育，在蜕皮激素（20E）调控下发生幼虫组织凋亡和成虫组织增殖的组织重塑过程，并且不同的组织及细胞有不同的命运，幼虫中肠和脂肪体细胞发生自噬和凋亡，而成虫中肠和脂肪体细胞却发生增殖，表皮则通过基因表达的改变实现重塑，其分子机制也不清楚。因此，昆虫变态发育为研究类固醇激素调控CTSD的双重功能及机制提供了理想模型。
山东大学赵小凡教授近期在Autophagy发表了题为Autophagy triggers CTSD (cathepsin D) maturation and localization inside cells to promote apoptosis的文章，利用重大农业害虫棉铃虫为研究模型，阐明了昆虫变态发育过程中蜕皮激素促进CTSD表达、成熟和分泌的分子机制及其在组织重塑中的作用。
研究者发现CTSD表达具有组织特异性和发育阶段特异性，CTSD以糖基化的成熟蛋白酶（G-m-CTSD）存在于变态期幼虫中肠细胞，以无糖基化的酶原（pro-CTSD）存在于蛹早期表皮细胞，以糖基化的酶原（G-pro-CTSD）存在于蛹期血淋巴，而在脂肪体和血细胞中表达量极低。通过组织培养和糖苷酶处理证明血淋巴中的G-pro-CTSD是从蛹早期的表皮分泌而来的；通过糖基化位点突变实验证明第233位的天冬酰胺（N233）的糖基化决定了pro-CTSD的分泌；通过虫体RNA干扰实验证明20E通过核受体复合物EcR-USP1上调CTSD的表达；通过不同组织体外培养、自噬抑制剂、以及体内自噬相关蛋白（ATGs）的基因干扰，证明20E通过自噬诱导CTSD的成熟并使其滞留在幼虫中肠细胞内，促进Caspase-3活化，从而促进幼虫中肠凋亡。通过体内注射CTSD抗体中和蛹期血淋巴中的G-pro-CTSD的实验，证明了血淋巴中的G-pro-CTSD促进成虫脂肪体的DNA内复制和细胞增殖。该研究还测定了棉铃虫血淋巴中20E滴度在发育过程中的变化,并发现中肠的20E滴度、核受体及ATGs的表达均高于表皮，可能与CTSD在组织中的差异表达、成熟及分泌有关。
图示.20E调控CTSD表达、成熟、分泌的分子机制及其在昆虫变态发育中对组织重塑的作用。A.棉铃虫从5龄取食期（5F）至成虫(A-2 d)的发育过程中各种发育事件的时间表。B. CTSD的双重功能及调控机制示意图。
该研究揭示了CTSD表达、成熟和分泌的分子机制、自噬与凋亡的关系及转化机制、以及昆虫变态发育的组织重塑中不同组织细胞命运的分子机制，对于研发调控CTSD双重功能促进凋亡或增殖的策略提供了参考，为害虫控制提供了靶标基因，具有重要的理论意义和实践价值。
此研究由山东大学生命科学学院赵小凡教授团队完成，课题组在读博士生邸宇琴为该论文的第一作者，赵小凡教授为通讯作者，山东大学为署名单位。
赵小凡教授课题组以重大农业害虫棉铃虫为材料变态发育，长期研究蜕皮激素调控昆虫变态发育的分子机制，获得国家自然科学基因重点项目的系列资助，研究成果发表在PNAS, Autophagy, Development, PloS Genetics, Journal of Biological Chemistry, Endocrinology, Insect Biochemistry and Molecular Biology等主流期刊上，揭示了蜕皮激素调控昆虫变态发育的分子机理，为害虫控治提供了理论知识和靶标基因。
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制版人：珂
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