家蠶模式生物研究進展

鄭靜銘，朱欣悅，邵勇奇

（浙江大學 動物科學學院，浙江 杭州 310058）

由于生物進化的保守性以及生物界中遺傳密碼的通用性，生命發育的基本模式呈現很大程度上的同一性，為利用進化程度相對較低的物種研究進化程度相對較高的物種的規律提供了可能，這些相對簡單且受到廣泛研究的生物統稱為模式生物（model organism）［1］。常見的模式生物包括擬南芥（Arabidopsis thaliana）、線蟲（Caenorhabditis elegans）、果蠅（Drosophila）、斑馬魚（Danio rerio）、小鼠（Mus musculus）等。

家蠶（Bombyx mori）屬昆蟲綱鱗翅目蠶蛾科，是重要的經濟昆蟲之一。家蠶不僅是絲綢原料的主要來源，作為模式生物也有其特點及優勢，近年來被廣泛應用于抗菌藥物篩選、人類疾病模型、毒理學與環境監測、表觀遺傳學等領域的科學研究（圖1）。

圖1 家蠶作為模式生物的應用Fig. 1 Application of silkworm as a model organism

1 家蠶的特點及其作為模式生物的優勢

家蠶在生物特性上具有諸多優勢，在模式生物的篩選過程中備受青睞。家蠶生命周期短，繁殖能力強，專食桑葉，飼養成本低；幼蟲期長，4～5齡期幼蟲大小適中，可進行口服和靜脈注射，便于完成給藥、建模、活體觀察、解剖等操作，實現較好的結果呈現。家蠶有28 對染色體，遺傳性狀豐富，遺傳背景相對簡單，其情感模塊不強，性情溫和，無社會性，動物倫理限制性小。

2010年，Xiang等［2］繪制了世界上第一張具有單堿基分辨率的昆蟲甲基化圖譜——家蠶絲腺甲基化圖譜，為昆蟲表觀遺傳學的研究提供了重要資料。2022年10月，Tong 等［3］完成家蠶大規模種質資源基因組解析，首次繪就家蠶超級泛基因組圖譜，助力深化功能基因組研究和推進家蠶模式化進程。隨著家蠶基因組計劃的完成，基因組數據庫和蛋白質數據庫的逐步建立和不斷完善，人們對于家蠶生物學的了解愈發深入，越來越多的學者選擇以家蠶為模式系統進行各種研究。

2 家蠶作為模式生物的研究領域

2.1 病原微生物感染模型及抗菌藥物篩選

動物感染實驗是闡明傳染病中宿主-病原體相互作用的必要條件，除了常見的哺乳動物外，近年來部分無脊椎動物也被用作感染性疾病的模型構建，如果蠅［4］、線蟲［5］等。Arvanitis 等［6］認為，無脊椎動物和哺乳動物在先天性免疫應答的部分領域中存在進化保守性，利用這些簡單的無脊椎寄主進行實驗是一種快速有效的篩選方法。

家蠶對部分人類病原微生物高度敏感，可用于構建病原微生物感染模型以實現大規模體內篩選，確定病原體毒力因子以及抑制病原體毒力的宿主因子。2002年，Kaito等［7］將金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）注入五齡蠶血淋巴中，90%以上的蠶在2天內死亡，免疫染色分析顯示金黃色葡萄球菌在病蠶的中腸表面增殖。后續藥物治療的結果表明，家蠶可以替代哺乳動物進行細菌性致病實驗，用于評估抗生素對人類致病菌感染的影響。除了病原細菌外，部分人類病原真菌也能感染家蠶［8］。目前已經建立白念珠菌（Candida albicans）［9］、新型隱球菌（Cryptococcus neoformans）［10］等酵母型真菌感染家蠶模型，以及煙曲霉菌（Aspergillus fumigatus）［11］、犬小孢子菌（Microsporum canis）［12］等絲狀真菌感染家蠶模型。

2.2 人類遺傳疾病模型及藥物篩選

家蠶遺傳資源豐富，存在大量突變。由于家蠶基因與人類部分遺傳疾病基因高度同源，某些家蠶疾病與人類遺傳病病理相同或相似，故可以通過多種方式建立家蠶的人類疾病模型。

Tanaka 等［13］利用家蠶與人類相似的嘌呤代謝，施用痛風藥物以清除沉積在家蠶體表的尿酸，通過家蠶皮膚顏色的變化來評估藥物療效。苯丙酮尿癥（Phenylketonuria，PKU）是由苯丙氨酸羥化酶基因（PAH）突變或四氫生物蝶呤（Tetrahydrobipterin，BH4）合成途徑缺陷引起的先天性代謝疾病，Tong等［14］通過定位克隆發現鋁蠶的發病機制與人類苯丙酮尿癥類似，兩者在藥物代謝特征以及生物合成相關基因通路方面具有高度相似性，由此論證鋁蠶突變體作為BH4缺乏型PKU 動物模型的可行性。Matsumoto 等［15］通過飼喂高糖人工飼料的方式獲得高血糖家蠶，借助此模型篩選出了一株能抑制腸道攝取葡萄糖的糞腸球菌Enterococcus faecalisYM0831，且在人體臨床試驗中同樣取得良好的抑制血糖升高效果。Zhu 等［16］通過添食6-羥基多巴胺（6-OHDA）誘導家蠶出現帕金森樣癥狀，進行了帕金森病家蠶模型的蛋白質組學和靶向代謝組學研究，幫助理解該病的分子和細胞機制。

家蠶的各種突變體系為人類遺傳疾病的研究提供了良好的基礎，相關病理機制的研究正在持續推進中。

2.3 毒理學與環境監測

在環境與材料領域，利用家蠶對環境因子的高敏感性，可以進行重金屬、農藥、大氣顆粒物、納米材料等各種對環境產生負面影響的有毒物質的監測和研究，通過觀察家蠶的存活率、生長狀況、行為表現、基因表達譜等來分析毒物的毒性和機制。Abdelli 等［17］認為，家蠶飼養成本低、倫理限制性小、易于注射，是極具潛力的毒理學研究模型。

作為研究減少農藥對無脊椎動物如有益昆蟲的不良影響的動物模型，家蠶在促進農業發展中具有重要意義。Phugare 等［18］以家蠶為模式生物，研究了肺炎克雷伯菌株（Klebsiella pneumoniae strain，BCH1）對新煙堿農藥吡蟲啉的降解作用，發現在30℃靜態條件下，7 d 內吡蟲啉降解率高達78%。Chen 等［19］發現，當蠶幼蟲與窄養單胞菌（Stenotrophomonas）單關聯時其腸道中必需氨基酸水平較高，此種關鍵的營養供應對于宿主抵抗有機磷殺蟲劑的毒性有益，該成果亦為研究復雜環境系統中宿主-腸道細菌的互作提供了范式。

隨著納米材料的大量應用，納米顆粒（Nanoparticles，NPs）將不可避免地進入到環境中，從而通過多種暴露途徑對人類健康產生潛在風險，不同層面的納米材料-生物相互作用始終是人們關心的內容。Ma 等［20］以家蠶為模式生物，探究暴露在不同質量濃度的氧化鎂納米顆粒環境下對家蠶的亞慢性毒性影響，證明了氧化鎂納米顆粒主要的滲透機制為主動轉運，其能被細胞吸附。Muhammad等［21］發現在氧化銅和氧化鋅納米顆粒的添食暴露下，家蠶的體質量、存活率、產繭量均呈現下降趨勢，家蠶的營養代謝受損、腸道菌群失調，為評估環境中的NPs 引起的生物學效應提供了重要參考。

在全球生物圈中，微塑料（MPs）同樣無處不在，然而有關其潛在暴露危害的實驗數據還嚴重缺乏，亟需填補，以便更好地了解微塑料對包括人在內的生物的影響［22］。Muhammad 等［23］利用家蠶評估急性暴露于聚苯乙烯微塑料和納米塑料后生物體在生理、分子和生化水平上的變化，深化了不同粒徑大小的微塑料對生物體的潛在毒理學效應的研究。

2.4 病蟲害防治

在諸多新興的生物農藥中，昆蟲病毒殺蟲劑以其專一性、長效性、安全性等特點頗受青睞，在農業中的應用比例不斷上升。家蠶病毒感染模型，尤其是核型多角體病毒（Bombyx morinuclear polyhedrosis virus，BmNPV）感染模型在病蟲害防治中日益受到關注，如篩選出溶解在丙酮中的氟蟲脲作為防治農業害蟲的輔助物［24］。Cheng等［25］定位并鑒定了12個參與BmNPV感染的蛋白質靶點，分析其在病毒感染中的潛在作用，為研究家蠶與BmNPV相互作用的分子機制提供了新的方向。GP64是介導BmNPV感染的關鍵膜融合蛋白，Hao 等［26］進一步闡明其保留信號肽的作用機制，實驗發現破壞信號肽中的α 螺旋（α-helix）結構可以使GP64失去細胞膜定位的能力，進而降低病毒感染性。

2.5 表觀遺傳學

DNA甲基化是最早被發現、研究最深入的表觀遺傳調控機制之一，通過影響基因組防御、基因調控等方式在多種生物過程中發揮重要作用。相對于動植物，昆蟲甲基化水平較低，其功能也始終存在爭議。

DNA 甲基化在昆蟲器官或組織發育過程中的作用和調控機制尚不清楚，Xu等［27］通過抑制轉錄因子Bmara介導的幾丁質酶表達來抑制家蠶幾丁質降解、促進翅膀發育，證明DNA 甲基化在家蠶翅膀發育中起著重要作用，填補該領域的部分空白?；诜夯蚪M系統分析，Lu等［28］揭示了家蠶形成綠繭及繭色演化的遺傳機制，提出了繭色多樣化的形成機制和從野桑蠶到家蠶的繭色演化模式，揭示了人工選擇對表型性狀演化的重要作用。

3 小結

家蠶已被作為動物模型應用于生命科學研究的多個領域，已成為一種重要的模式生物，極大地促進了相關領域的科學發展。然而，家蠶模型在很多領域的應用尚處于起步階段，需要進行更多的動物實驗、臨床試驗以獲得豐富的數據，特別是在人類遺傳疾病領域。家蠶雖然不能完全取代哺乳動物，但起著非常重要的補充作用，家蠶作為模式生物前景光明。