Введение

Класс химических соединений
Ювенильные гормоны (ЮГ) — это группа ациклических сесквитерпеноидов, регулирующих многие аспекты физиологии насекомых. Первым ювенильный гормон обнаружил Винсент Вигглсворт. ЮГ регулируют развитие, размножение, диапаузу и полифенизмы. У насекомых ЮГ (ранее известные как неотенин) относятся к группе гормонов, обеспечивающих рост личинки и предотвращающих метаморфоз. Из-за жесткого экзоскелета насекомые растут, последовательно сбрасывая его в процессе, известном как линька. Ювенильные гормоны секретируются парой эндокринных желез, расположенных за мозгом, – корпора аллата. ЮГ также важны для производства яиц у самок насекомых. ЮГ были выделены в 1965 году Карелом Сламой и Кэрроллом Уильямсом, а первая молекулярная структура ЮГ была установлена в 1967 году. Большинство видов насекомых содержат только ювенильный гормон роста (ЮГ) III. На сегодняшний день ЮГ 0, ЮГ I и ЮГ II были обнаружены только у чешуекрылых (бабочек и мотыльков). Форма JHB3 (ЮГ III бисэпоксид) представляется наиболее важным ЮГ у двукрылых, или мух. Показано, что некоторые виды ракообразных производят и секретируют метилфарнезоат, который является ювенильным гормоном III без эпоксидной группы. Считается, что метилфарнезоат играет роль, аналогичную роли ЮГ у ракообразных. Будучи сесквитерпеноидом, химическая структура ЮГ значительно отличается от структуры других животных гормонов. Некоторые аналоги ЮГ были обнаружены у хвойных деревьев.

Контроль за развитием

Основным способом контроля ювенильного гормона является 1) стимуляция корпус аллата аллатотропинами – короткими пептидами, которые связываются с G-белок-связанными рецепторами, сигнализирующими железам о выработке ЮГ, и 2) ингибирование выработки ЮГ аллатостатинами. Они подразделяются на три класса: аллатостатин А, аллатостатин В и аллатостатин С (см. обзор этих механизмов контроля: Stay и Woodhead, 1993). Вторичный контроль титра ЮГ в гемолимфе развивающегося насекомого осуществляется посредством метаболической инактивации ЮГ специфической эстеразой ЮГ и ювенильным гормоноэпоксидгидролазой. Во время экдиза форма старой кутикулы, сформировавшейся перед следующей линькой, контролируется уровнем ЮГ в организме насекомого. ЮГ поддерживает ювенильное состояние. Его уровень постепенно снижается в процессе развития насекомого, позволяя ему переходить к последующим стадиям с каждой линькой. Это было продемонстрировано в различных исследованиях, наиболее известное из которых было проведено В. Б. Вигглсвортом в 1960-х годах. В этом исследовании системы кровообращения двух взрослых Rhodnius были соединены, что обеспечивало одинаковый титр ЮГ у обоих насекомых. Один из них был Rhodnius третьей стадии, другой – четвертой. Когда корпуса аллата насекомого третьей стадии были удалены, уровень ЮГ у обоих насекомых стал равен уровню у насекомого четвертой стадии, и, следовательно, оба перешли к пятой стадии при следующей линьке. Когда у Rhodnius четвертой стадии были удалены корпуса аллата, у обоих насекомых был обнаружен уровень ЮГ, характерный для третьей стадии, и, следовательно, один перешел к четвертой стадии, а другой остался на этой стадии. Как правило, удаление корпус аллата у личинок приводит к формированию недоразвитого взрослого насекомого при следующей линьке. Имплантация корпус аллата в последние личиночные стадии повышает уровень ЮГ и, следовательно, приводит к появлению дополнительной ювенильной стадии и т.д.

У медоносных пчел

Существует сложное взаимодействие между JH, гормоном экдизоном и вителлогенином. На стадии развития, пока достаточно JH, экдизон стимулирует линьку личинки в личиночную стадию. При снижении уровня JH, экдизон способствует окукливанию. Полное отсутствие JH приводит к формированию взрослой особи. У взрослых медоносных пчел уровни JH и вителлогенина обычно демонстрируют обратную зависимость. У рабочих пчел уровень JH постепенно повышается в течение первых примерно 15 дней жизни, до начала сбора нектара и пыльцы. В течение этих первых 15 дней работники выполняют внутриульевые задачи, такие как кормление личинок, строительство сот и очистка ячеек. Уровень JH достигает пика примерно на 15-й день; пчелы этого возраста охраняют улей, удаляют мертвых пчел из колонии и обмахивают у входа в колонию, чтобы охладить гнездо. Агрессивность пчел-охранниц коррелирует с уровнем JH в их гемолимфе. Несмотря на высокий уровень JH у охранниц, их яичники относительно неразвиты. JH не инициирует сбор нектара и пыльцы, а скорее контролирует скорость перехода пчел в стадию фуражиров. Уровень вителлогенина высок в начале взрослой жизни и постепенно снижается. JH известно, что участвует в дифференциации каст королевы и рабочих пчел на стадии личинки. Уникальная обратная связь между JH и вителлогенином может быть важна для понимания продолжительности жизни матки.

У лепидоптер

JH необходим у многих видов бабочек и мотыльков для производства и высвобождения самками феромонов пола. Эксперименты, проведенные на Mythimna unipuncta (армейном совке) и Agrotis ipsilon (черном черве), показали, что удаление желез corpus allata, секретирующих JH, прекращает любое высвобождение феромонов пола. Кроме того, JH важен для развития яичников. У черного червя было показано, что JH также необходим самцам для чувствительности к феромонам. Также было показано, что JH передается от самца к самке Heliothis virescens во время копуляции.

Использование в качестве инсектицида

Синтетические аналоги ювенильного гормона используются в качестве инсектицида, предотвращая развитие личинок во взрослых насекомых. Сам ювенильный гормон (JH) дорог в синтезе и нестабилен на свету. При высоких уровнях JH личинки могут линять, но результатом будет только более крупная личинка, а не взрослая особь. Таким образом, репродуктивный цикл насекомого нарушается. Один из аналогов JH, метопрен, одобрен ВОЗ для использования в резервуарах для питьевой воды для борьбы с личинками комаров благодаря его исключительно низкой токсичности (LD50 > 35 000 мг/кг для крыс).

Регулирование

Молодежный гормон синтезируется в корпусах алла́та насекомых. JH распространяется по гемолимфе и воздействует на реагирующие ткани. JH преимущественно разрушается ферментами ювенильной гормоноэстеразой (JHE) или ювенильной гормоноэпоксидной гидролазой (JHEH). JHE и JHEH оба приводят к подавлению JH-сигнализации и ответа на нее. Реагирующие на JH ткани могут продуцировать один или оба этих фермента. JH стимулирует вспомогательные железы половозрелых самцов, способствуя росту желез и выработке секрета вспомогательных желез. Производство желтка (вителлогенез) в женских яичниках также стимулируется действием JH. JH может также регулировать репродуктивное поведение у обоих полов.

Метаболизм

Активность ювенильного гормона разрушается двумя ферментами. JH-эстераза расщепляет метиловый эфир, образуя JH-кислоту. JH-кислота подвергается воздействию JH-эпоксидной гидролазы, которая превращает эпоксидную группу в диол. Порядок расщепления зависит от вида насекомого. У чешуекрылых порядок следующий: расщепление эфира предшествует гидратации эпоксида. Любое из этих действий прекращает активность гормона. JH-диол-кислота, продукт действия обоих ферментов, подвергается воздействию JH-диол-киназы для повышения растворимости с целью выведения.

Биосинтез

Биосинтез ЮГ аналогичен биосинтезу холестерина у животных. Существуют значительные различия между биосинтезом гомоизопреноидных ЮГ, встречающихся почти исключительно у чешуекрылых, по сравнению с изопреноидами ЮГ III, ЮГ III бисэпоксидом и метилфарнезоатом, встречающимися у других насекомых. Биосинтез холестерина был всесторонне изучен на животных. Все этапы происходят в цитозоле. Исходным материалом является цитрат, который экспортируется митохондрией при высоком уровне метаболических топлив. Он превращается в ацетил-КоА, АДФ, CO2 и оксалоацетат под действием АТФ-цитрат-лиазы вместе с АТФ и КоАSH в качестве субстратов. Три молекулы ацетил-КоА превращаются в HMG-КоА цитозольными изоформами тиолазы и 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА-синтазы. Затем HMG-КоА восстанавливается NADPH до мевалоната HMG-КоА-редуктазой, ферментом, контролирующим скорость биосинтеза холестерина. Этот фермент имеет 8 спиральных доменов, закрепляющих его в мембране Гольджи ЭР; каталитический домен находится в цитозоле. Он сильно ингибируется статинами, классом лекарств, основанных на метаболите плесени, которые, по крайней мере, в одно время, были самым продаваемым классом лекарств в мире. Мевалонат подвергается действию серии из 3 киназ, образуя высоколабильный 1,2-дифосфомевалонат-3-фосфат, который затем подвергается действию лиазы, образуя фосфат, CO2 и изопентенилдифосфат. Изопентенилдифосфат-изомераза превращает последний в менее стабильный диметилаллилдифосфат. Для получения метаболита C15 фарнезилдифосфата фарнезилдифосфатсинтазе требуется одна молекула DMAPP и две молекулы IPP. Существует большое количество дополнительных этапов для получения холестерина из IPP, повсеместного предшественника всех изопреноидов. По-видимому, биосинтез ЮГ III идентичен биосинтезу холестерина, начиная с образования IPP и заканчивая FPP, хотя, по-видимому, нет исследований по экспорту цитрата или других метаболитов из митохондрии в цитозоль или образованию ацетил-КоА. Ферменты этого пути были впервые изучены у *Manduca sexta*, которая производит как гомоизопреноидные, так и изопреноидные (ЮГIII) ЮГ. Очень рано было показано, что пропионат очень эффективно включается в ЮГ II и ЮГ I в безклеточных экстрактах *corpora allata* *M. sexta*. Мевалонат и ацетат также включаются в ЮГ I, II, ЮГ III из *M. sexta*, хотя и гораздо менее эффективно, чем пропионат. Бейкер идентифицировал 3-гидрокси-3-этилглутарат и 3-гидрокси-3-метилглутарат из того же источника фермента, инкубированного с ацетил-КоА и пропионил-КоА. Ли и соавторы показали, что тот же источник ферментов эффективно производит как мевалонат, так и его 3-этил-гомолог, гомомевалонат. Берго показал, что мевалонат и гомомевалонат, производимые этими ферментами, имеют ту же 3S-оптическую конфигурацию изомера, что и ферменты позвоночных. Бейкер показал, что изопентенилдифосфат и его гомолог, 3-этилбутенилдифосфат (гомоизопентенилдифосфат), метаболизируются в соответствующие им аллильные дифосфаты, DMAPP и homoDMAPP (3-этил-3-метилаллилдифосфат). Последний необходим для биосинтеза ЮГ I, ЮГ II и 4-метилЮГ I. Для биосинтеза ЮГ I и 4-метилЮГ I требуется 2 единицы homoDMAPP, а для биосинтеза ЮГ II – одна. Все части углеродного скелета происходят из IPP. Затем фермент пренилтрансфераза/фарнезилдифосфатсинтаза связывает IPP, отщепляет дифосфат, образуя аллильный карбокатион, и присоединяет его к IPP, образуя геранилдифосфат (C10). Затем он делает то же самое с геранилдифосфатом, образуя фарнезилдифосфат (C15). Эта реакция, по-видимому, является единственной известной ферментативной реакцией, включающей соединение двух молекул с помощью карбокатиона. Свободная электронная пара присоединяется к двойной связи IPP, также изомеризуя IPP, так что продукт является аллильным дифосфатом. Таким образом, эта часть изопреноидного пути почти идентична пути биосинтеза холестерина, за исключением специфических для насекомых гомоизопреноидных звеньев. NAD+-зависимая фарнезольдегидрогеназа, фермент *corpora allata*, участвующий в синтезе ювенильного гормона, показала, что тот же источник ферментов эффективно производит как мевалонат, так и его 3-этил-гомолог, гомомевалонат. Абсолютная конфигурация гомомевалоната и 3-гидрокси-3-этилглутарата и 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА, полученных из безклеточных экстрактов *corpora allata* насекомых. Предостережение относительно прогнозирования абсолютной стереохимии на основе порядка элюирования диастереомерных производных при жидкостной хроматографии показало, что мевалонат и гомомевалонат, производимые этими ферментами, имеют ту же…