蜕皮是节肢动物和线虫等蜕皮类动物特有的生命现象,是指在其不同的发育阶段,发生新皮的形成和旧皮的去除。生命周期包括卵、幼虫、蛹和成虫四个阶段的全变态昆虫,是研究蜕皮发育的理想模型。虽然已经清楚昆虫蜕皮主要由保幼激素和蜕皮激素协同控制,但系统研究蜕皮过程中的基因表达变化无疑可以促进昆虫蜕皮分子机制的深入研究。目前,部分全变态模式昆虫变态蜕皮期的基因表达分析已有一些报道,但关于幼虫生长蜕皮期间基因表达变化的研究报道几乎没有。家蚕属于全变态昆虫,是鳞翅目昆虫研究的代表生物,其在昆虫的进化、生长发育和害虫防治等研究方面都有着不可替代的优势。2003年,家蚕基因组框架图绘制成功。2006年,世界上第一张覆盖家蚕全基因组的寡核苷酸芯片研制成功。基因组和表达组分析平台的建立,为我们从基因组和基因水平上研究家蚕幼虫的蜕皮机制提供了良好的研究基础。本研究即应用包含22987个基因探针的家蚕全基因组芯片,对家蚕发育过程中从4龄起蚕至5龄8小时共10个时间点的基因表达变化进行分析,获得的主要结果如下:1.幼虫蜕皮期基因表达的概貌我们以信号值大于800作为基因表达的阀值,对芯片数据进行统计分析,发现共有10571个基因在幼虫4龄生长和蜕皮期间表达。其中,8687个、8364个和9607个基因分别在起蚕期、食桑期和眠期表达。我们通过GO分类对这些基因进行了注释,发现有6924个表达基因具有同源注释。从细胞组分来看,表达主要归类为细胞、细胞成分和细胞器官三大类;从分子功能方面来看,表达的基因主要归类为结合、催化活性和转运活性三大类;从生物学过程方面来看,表达基因主要参与细胞过程、代谢过程和生物学调控过程。2.幼虫蜕皮期基因表达的的变化趋势4龄幼虫蜕皮期不同时间点基因表达变化趋势的散点图分析显示,4龄1天、4龄2天、4龄3天和5龄8小时四个食桑时间点的基因表达相对于5龄3天的变化较小,表明食桑期的生理活动和所涉及的基因相似;但眠前即4龄3天的基因表达变化较明显,这预示着一些启动蜕皮发生的基因开始表达。眠期不同时间点的基因表达变化非常显著,表明眠期与食桑期的生理代谢活动存在较大差异;起蚕属于眠和食桑期的间期,其基因表达变化较小。3.幼虫蜕皮期差异表达基因的聚类分析我们采用聚类分析的方法调查了表达基因在转录水平的相似性和差异,结果发现共有7572个基因的表达至少在一个时间点发生了变化。差异表达基因的级联聚类分析显示,4龄食桑期和4/5龄起蚕以及5龄初食桑先聚成一类,再与眠期4个发育时间点聚成的分支聚在一起。这表明家蚕起蚕与食桑期的生理活动相似,眠期与起蚕和食桑期的代谢活动存在差异。4.幼虫蜕皮期基因表达的阶段差异我们以基因表达水平在一个阶段超过另一阶段2倍来确定差异表达基因。家蚕幼虫食桑期和眠期的表达基因的比较发现,484个基因在食桑期上调表达,720个基因在眠期上调表达。4龄眠期和5龄起蚕基因表达的比较发现,398个基因在4龄眠期上调表达,222个基因在5龄起蚕上调表达。5龄起蚕和5龄初食桑期基因表达的比较发现,298个基因在起蚕上调表达,117个基因在初次食桑期上调表达。食桑期上调表达基因主要包括与桑叶消化吸收相关肽酶、淀粉酶、糖酶、脂肪酶、脂酶等消化代谢酶类。眠期上调表达基因主要与组织发生、物质转运、转录翻译调控和组织细胞降解相关。5龄起蚕上调表达的基因中,纤维醇磷酸酯酶与纤维的消化代谢相关,触角结合蛋白和起蚕寻找食物、辨别气味分子有关。5.幼虫蜕皮期激素和泛素相关基因的表达幼虫蜕皮期间出现的部分时期特异表达基因与激素的合成代谢或调控作用相关。保幼激素二醇激酶和保幼激素酯酶分别在食桑后期和眠期表达,我们推测保幼激素二醇激酶和保幼激素酯酶分别参与了不同阶段期保幼激素的降解。BR-C Z1在4龄3天的表达与蜕皮激素滴度的变化相关,推测BR-C Z1在蜕皮激素的诱导下开始转录,并参与了幼虫蜕皮过程的启动。特别重要的是,泛素-蛋白酶体系相关基因在眠期特异表达,表明家蚕体内存在降解蛋白质的泛素-蛋白酶通路,而且该通路可能与眠期细胞凋亡过程相关。