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研究背景与科学问题蜕皮激素20-羟基蜕皮酮（20-hydroxyecdysone,20E）和胰岛素样肽（insulin-like peptides,ILPs）拮抗调控幼虫的生长和变态起始。ILPs经由胰岛素/胰岛素样生长因子信号（insulin/insulin-like growth factor（IGF）signaling（IIS））促进细胞增殖和个体发育。20E滴度在蜕皮和变态期较高。20E促进蜕皮激素核受体（ecdysone receptor,EcR）和超气门蛋白（ultraspiracle isoform 1,USP1）转录复合物形成,进而启动与自噬和凋亡相关基因的表达,促进幼虫组织的降解,调控成虫组织重塑;并且不同组织具有不同的命运,如幼虫中肠和脂肪体发生凋亡,成虫中肠和脂肪体发生细胞增殖,而表皮经过转录组重编程进行重塑,但是机制尚不清楚。组织蛋白酶D（cathepsin D,CTSD）属于溶酶体天冬氨酸蛋白酶。CTSD在粗面内质网合成含有信号肽和前导肽的无活性酶原前体形式,然后释放信号肽,经糖基化修饰形成pro-CTSD。随后pro-CTSD运输到高尔基体,随后运输至溶酶体,经未知蛋白酶切割或自身活化,形成成熟的CTSD即mature-CTSD（m-CTSD）,溶酶体膜的选择性透化使m-CTSD进入胞浆,激活半胱氨酸蛋白酶,引起细胞凋亡;pro-CTSD也能分泌到胞外促进细胞增殖。因此CTSD的表达、成熟和分泌是决定其发挥促凋亡还是促增殖功能的关键,但其调控机制不清楚。在乳腺癌中雌激素能促进CTSD表达。在家蚕中,20E能促进脂肪体中CTSD的表达诱导幼虫脂肪体细胞凋亡,但是CTSD调控组织重塑的具体机制也不清楚。磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase,P13K）是IIS的一个关键激酶。IA型P13K不同形式的催化亚基P110α/β/δ和不同形式的调节亚基P85α/β、P55α、P50α和P55γ之一组成的异二聚体,通过磷酸化磷脂酰肌醇4,5二磷酸（phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2）转变为磷脂酰肌醇 3,4,5 三磷酸（phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate,PIP3）,进而磷酸化活化蛋白激酶 B（protein kinase B,PKB/AKT）促进细胞增殖。研究表明20E和ILPs拮抗调控昆虫的生长发育,但是20E如何调控PI3K从而拮抗IIS的机制还不清楚。本论文利用重要农业害虫棉铃虫（Helicoverpa armigera）为模型,研究CTSD和PI3K在棉铃虫变态发育过程中的功能,探究CTSD表达、成熟和分泌的机制以及20E诱导细胞凋亡的机制,还有20E和ILPs拮抗调控昆虫生长和变态的机制,系统阐明昆虫变态发育的分子机制,具有重要的意义。研究结果CTSD表达在棉铃虫发育过程中具有组织特异性和发育阶段特异性,CTSD在中肠变态期表达为糖基化的成熟CTSD（glycosylated-mature-CTSD,G-m-CTSD）,在表皮蛹期表达为酶原形式的CTSD（pro-CTSD）,并以糖基化的酶原形式的CTSD（glycosylated-pro-CTSD,G-pro-CTSD）分泌到血淋巴中。点突变实验表明第233位的天冬酰胺的糖基化决定pro-CTSD的分泌。20E通过EcR促进CTSD的表达,并通过自噬诱导CTSD的成熟使其定位在细胞内,促进CASP3片段化进而诱导细胞凋亡。血淋巴中的G-pro-CTSD通过PI3K-AKT通路促进成虫脂肪体DNA内复制、增殖和聚合。20E滴度和自噬相关基因（autophagy-related genes,Atgs）的组织差异可能与CTSD的组织差异表达有某种联系。ILPs在生长期诱导P60和P110磷酸化并促进增殖;变态阶段,20E促进P60表达并诱导P60去磷酸化,抑制P110表达,诱导P110去磷酸化并终止生长。20E通过上调蛋白酪氨酸磷酸酶非受体6型（protein tyrosine phosphatase non-receptortype6,PTPN6）表达并诱导PTPN6与P60和P110互作从而促进P60和P110的去磷酸化,进而阻断ILPs所诱导的P60和P110细胞膜定位并下调P60和P110的互作。磷酸化的P60促进AKT和叉头框蛋白O（foxhead box protein O,FOXO）的磷酸化,并诱导FOXO的细胞质定位从而促进细胞增殖。虫体敲降生长期的P60和P110抑制AKT和FOXO的磷酸化并抑制20E的产生,延迟化蛹。虫体敲降变态期的P60抑制细胞凋亡并延迟化蛹。另外,20E经由ErGPCRs-EcR-FOXO信号轴促进P60表达,并促使其与磷酸酶-张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog,PTEN）互作引起细胞凋亡。这些结果说明磷酸化的P60对于幼虫生长以及20E所诱导的变态发生至关重要。结论与科学意义本论文揭示了CTSD表达具有组织特异性,N233位的糖基化决定CTSD的分泌,自噬诱导CTSD成熟从而诱导幼虫中肠凋亡,G-pro-CTSD促进成虫脂肪体增殖和重聚。在IIS和20E信号途径中,P60通过依赖其磷酸化状态改变具有促进细胞增殖和细胞凋亡的双重作用。本论文阐明了CTSD表达、成熟和分泌的机制,及其在生长和变态的功能,揭示了鳞翅目昆虫在变态发育过程中不同组织具有不同命运的分子机制,并首次发现鳞翅目昆虫的成虫脂肪体会发生细胞增殖;补充了 20E拮抗IIS促进变态的分子机制,为害虫防制提供了理论基础和基因靶标,具有重要的理论意义和实践意义。