Science Daily — 您是否有想過，為何許多的昆蟲在出生之後都能度過牠們生命中的第一個寒冬呢？根據研究發現，在這些昆蟲的體內有一種特殊的蛋白質可以協助牠們在寒冷的月份中順利的存活下來。這些蛋白質就稱為「熱休克蛋白（heat-shock proteins，簡稱 Hsp）」，它可以讓昆蟲們熬過嚴冬而在春天來臨時變為成蟲。
圖1. The life stages of the flesh fly, from left: pupal stage, adulthood, and larval stage. Researchers studying the flesh fly found that the insect contains a number of genes that allow it to enter a state of arrested development during winter. Nearly all insects carry these genes; without them, the insects would die. (Credit: David Denlinger)
針對麻蠅（flesh fly）與其他昆蟲的研究顯示，牠們具有一種防衛性地熱休克蛋白，這種蛋白質會在環境溫度出現下降時迅速地被啟動。直到這個新發現為止，研究人員已經知道在麻蠅體內只有兩種蛋白質會在寒冷的冬天中表現出活性。
圖2. 麻蠅（flesh fly）（圖片來源：http://www.uky.edu/Ag/CritterFiles/casefile/insects/flies/houseflies/houseflies.htm）
「昆蟲需要靠著熱休克蛋白使自己生存下去，」目前是俄亥俄州立大學昆蟲學教授同時也是本研究的主要作者 David Denlinger 教授這樣說到。「如果沒有這些蛋白質，昆蟲便無法度過漫長寒冬，而且幾乎會完全死亡。」
圖3. 熱休克蛋白70，PDB code：1HJO（圖片來源：http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1HJO）
Denlinger 及他的同事發現了近乎一打數量的熱休克蛋白質，它們會在昆蟲滯育（diapause）時產生活性，所謂的滯育就是一種類似冬眠（hibernation-like）的狀態，當氣溫驟降時便在昆蟲體內發生。昆蟲可讓自己保持在這個狀態下，使其自身生長完全停止下來數個月之久。
「其實在滯育期間，我們並不期望會發現許多具有活性的蛋白質，」Denlinger 說到。「因此研究人員將他們的發現發表在最新一期《美國國家科學院院刊》之線上版本中。」
昆蟲與其他包含人類在內的動物在遇到極高溫度時都會製造出熱休克蛋白質。這個蛋白質之所以有這樣的名稱最初是在高溫下研究果蠅時所發現的。而人類在發高燒時也會製造出這種蛋白質。
圖4. The Heat-Shock Response（圖片來源：http://www.stanford.edu/group/hopes/treatmts/heatshock/HS5.html）
「不過當昆蟲再遇到相當低溫時，也會製造處類似的壓力蛋白，當然也包含了遭遇高濃度的毒化物、脫水與相當乾燥等條件時亦然。」Denlinger 說到。
他與他的同事們首次揭露了在麻蠅處在睡眠狀態時有多少基因被啟動的秘密。研究人員萃取並比較了處在靜止狀態與非靜止狀態下 － 也就是幼蟲與成蟲的發育期之間 － 麻蠅的 RNA 的差異。他們使用實驗室的技術使他們能在麻蠅處在靜止狀態時去分離得到這些基因。
研究人員發現 11 處過去並沒有發現過的基因，它們會在滯育其間啟動熱休克蛋白質。直到這個研究之前，研究人員僅知道只有兩個這類的蛋白質而已。
Denlinger 與他的同事也同時檢視了過去所發現過的熱休克蛋白質當中的其中一個 ─ Hsp70 ─ 在另外五種與麻蠅不同種類的昆蟲物種。這些昆蟲都是相當常見的農業害蟲：包含有舞毒蛾（gypsy moth）、歐洲玉米螟（European corn borer）、胡桃殼蛆（walnut husk maggot）、蘋果果實蠅（apple maggot）以及煙草天蛾幼蟲（tobacco hornworm）等等。這些昆蟲都有一個共同點，就是每年均會造成數百萬美元的經濟損失。
圖 5. gypsy moth 成蟲（圖片來源：http://www.ecy.wa.gov/programs/wq/pesticides/final_pesticide_permits/invasive_moth/invasive_moth-index.html）
圖 6. gypsy moth 幼蟲（圖片來源：http://homepages.wmich.edu/~karowe/research.html）
圖 7. European corn borer 成蟲（圖片來源：http://wihort.uwex.edu/Phenology/EuroCornBorerAdult.html）
圖 8. European corn borer 的幼蟲（圖片來源：http://pestdata.ncsu.edu/cropprofiles/docs/KYsweetcorn.html）
圖 9. apple maggot（圖片來源：http://www.agf.gov.bc.ca/cropprot/applemaggot.htm）
圖 10. tobacco hornworm（圖片來源：http://www.duke.edu/~jspippen/naturephotos/caterpillars.htm）
而且當處在滯育期間時，所有昆蟲體內的 Hsp70 都是處在活化狀態地。
當 Denlinger 研究團隊剔除掉可以產生熱休克蛋白質的 Hsp70 基因時，這些昆蟲便都死在低溫下了（在這個研究中，所謂的低溫指的是將昆蟲暴露在 -15°C 或 5°F 下）。
「這個基因之所以存在所扮演的最基本角色就是為了能在冬天生存，而且透過這個熱休克蛋白質讓昆蟲們也得以對寒冷產生抵抗力，」Denlinger 表示。「在麻蠅進行滯育其間，我們發現它也與其他熱休克蛋白質具有高度的類似性，同時對於昆蟲在寒冷月份中所展現出來的忍受能力也同樣的重要。」
Denlinger 並沒有計畫去發展克服造成蟲害的昆蟲體內的熱休克蛋白質的方法，不過他說去瞭解昆蟲是如何熬過冬天的原因還是相當的重要。
不過他也提到，他下一步驟的計畫是去揭開每一個熱休克蛋白質所具有的獨特性質。
「我們假設它們在系統中的存在並不是多餘的，而且每個蛋白質一定都有其特殊的貢獻，」Denlinger 說到。「這個保護機制可是比我們所想像的還要來得複雜許多哩。」
Denlinger conducted the study with colleagues from Ohio State; the U.S. Department of Agriculture's Agricultural Research Station in Fargo, N.D.; the Harvard School of Public Health; and Liverpool University in the United Kingdom.
Funding for the work came from a USDA-National Research Initiative Grant, the National Science Foundation and the National Institutes of Health.
Note: This story has been adapted from a news release issued by Ohio State University.
原始報導：
ScienceDaily：For Many Insects, Winter Survival Is In The Genes
學術論文：
"Up-regulation of heat shock proteins is essential for cold survival during insect diapause"
Joseph P. Rinehart, Aiqing Li, George D. Yocum, Rebecca M. Robich, Scott A. L. Hayward, and David L. Denlinger.
PNAS published May 23, 2007, 10.1073/pnas.0703538104 ( Inaugural , Physiology ) [Abstract]