想象一下，害蟲失去表皮會怎樣？自然是活不長了。科學(xué)家認為，找到害蟲表皮中特有的成分和機制，就能找到新型綠色農(nóng)藥的靶標(biāo)，實現(xiàn)“精準(zhǔn)打擊”。為此，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員楊青團隊已經(jīng)努力了數(shù)十年。12月24日，《細胞》在線發(fā)表了楊青團隊的最新研究成果。他們揭示了ABCH轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運脂質(zhì)和外排農(nóng)藥的分子機制，并獲得了能夠抑制轉(zhuǎn)運功能的小分子抑制劑。該研究解析了害蟲的“外部防御”和“解毒”機制，并找到了能直接用于合成綠色農(nóng)藥的有效成分。中國工程院院士、華東師范大學(xué)校長錢旭紅指出，該研究首次揭示了昆蟲ABCH轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運生理底物脂質(zhì)以及外源殺蟲劑底物的分子機制，并闡明了抑制劑分子的結(jié)合和抑制機理，為基于三維結(jié)構(gòu)的新型殺蟲劑篩選和設(shè)計提供了精確的靶點信息。這一原創(chuàng)性成果有望催生出一大批綠色、高效、靶向昆蟲表皮脂質(zhì)屏障形成過程的創(chuàng)新型農(nóng)藥產(chǎn)品。
“靶向”農(nóng)藥對害蟲更“專一”
據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織估算，全世界每年由農(nóng)作物病蟲害造成的產(chǎn)量損失高達40%，經(jīng)濟損失超過2200億美元?！跋x口奪糧”成為擺在人們面前的一道難題。然而，噴灑農(nóng)藥、氣味引誘、引入天敵等多種防治手段，存在增加害蟲抗藥性、成本過高、防治效果不理想等不足。人們逐漸意識到，相比“萬能”農(nóng)藥，更需要對害蟲“專一”的農(nóng)藥，于是靶向農(nóng)藥應(yīng)運而生。所謂“靶向”，就是以害蟲為靶，針對害蟲獨特的結(jié)構(gòu)特征量身打造的一種農(nóng)藥，因其專一性強、安全高效、無污染，又被稱為綠色農(nóng)藥。錢旭紅說，綠色農(nóng)藥創(chuàng)新研究和原創(chuàng)性靶標(biāo)的發(fā)現(xiàn)是農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域的重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題之一，是當(dāng)今植物保護行業(yè)和農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展進程的必然趨勢，也是研究中必須攀登和搶占的制高點。創(chuàng)制靶向農(nóng)藥的關(guān)鍵在于找到合適的農(nóng)藥分子靶標(biāo)。農(nóng)藥分子靶標(biāo)是指農(nóng)藥在分子水平上作用的特定生物分子或蛋白質(zhì)，它們能夠直接影響害蟲的生命活動。論文通訊作者楊青告訴《中國科學(xué)報》，基于新靶標(biāo)，可以開發(fā)出更具靶向性和選擇性的農(nóng)藥，減少對非靶標(biāo)生物的傷害，從而降低環(huán)境污染和生態(tài)風(fēng)險。此外，新靶標(biāo)還可以突破現(xiàn)有農(nóng)藥的抗藥性壁壘，延緩害蟲和病原體的抗藥性發(fā)展。這不僅能推動農(nóng)藥研發(fā)的創(chuàng)新，還為農(nóng)業(yè)提供了更安全、更高效的防治手段，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。楊青帶領(lǐng)團隊深耕農(nóng)藥分子靶標(biāo)領(lǐng)域數(shù)十年，研究聚焦昆蟲表皮的幾丁質(zhì)生物學(xué)。幾丁質(zhì)表皮對昆蟲的生存至關(guān)重要，表皮的保濕作用、抗菌作用和高機械強度可以保證昆蟲對各類嚴(yán)苛自然環(huán)境有強大適應(yīng)能力。昆蟲表皮中不溶于水的脂質(zhì)成分可以防止昆蟲體內(nèi)水分蒸發(fā)并防止病原體入侵，減少外源物質(zhì)和毒素的滲透。楊青介紹，ABC轉(zhuǎn)運蛋白是最大的跨膜轉(zhuǎn)運蛋白超家族之一，參與生物體內(nèi)多種物質(zhì)的運輸，其中ABCH亞家族轉(zhuǎn)運蛋白在構(gòu)建表皮脂質(zhì)屏障中發(fā)揮關(guān)鍵作用。而且，ABCH亞家族存在于所有昆蟲體內(nèi)，在哺乳動物和植物中沒有發(fā)現(xiàn)。“因此，ABCH蛋白成為防治害蟲的理想分子靶標(biāo)?！睏钋嗾f。然而，ABCH的生理底物是什么？轉(zhuǎn)運機制有什么獨特之處？是否可以作為人畜安全的農(nóng)藥分子靶標(biāo)？這些科學(xué)問題一直都沒有得到闡明。
從開局不利到意外之喜
“要在蛋白層面研究功能機制，我們需要獲得ABCH蛋白的高質(zhì)量樣品?！睏钋嗾f。然而，第一次對ABCH蛋白進行純化時，他們就遇到了棘手的問題。論文第一作者、大連理工大學(xué)博士生陳金利告訴《中國科學(xué)報》，ABCH蛋白經(jīng)歷多個步驟的純化后，竟逐步降解?！斑@對于體外研究蛋白質(zhì)功能的研究者來說，無疑是一個巨大的打擊。這令我非常沮喪?！?陳金利說。這時候，楊青鼓勵他，重要的科研課題必然要經(jīng)歷重重考驗，必須把握每一個細微的實驗因素，逐步實現(xiàn)突破。經(jīng)過長達數(shù)月的摸索，陳金利終于篩選到讓ABCH蛋白相對穩(wěn)定存在的實驗條件。但是，在純化過程中要求實驗速度非?？?，而通常純化一個蛋白需要3天。為了減少ABCH蛋白的降解，他必須將實驗縮減到1天完成。每到純化蛋白的時候，陳金利就開始早出晚歸的生活。功夫不負有心人，陳金利最后終于拿到了高純度并且具有顯著活性的蛋白樣品。基于高質(zhì)量蛋白樣品，陳金利很快解析出第一個ABCH蛋白高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并在ABCH轉(zhuǎn)運通道中發(fā)現(xiàn)一個類似于脂質(zhì)分子形狀的密度，并與神經(jīng)酰胺類脂質(zhì)的分子形貌非常匹配。后來他們斷定，ABCH的生理底物就是神經(jīng)酰胺類脂質(zhì)。而一種俗稱“面粉蟲”的害蟲——赤擬谷盜的表皮主要成分就是神經(jīng)酰胺?！癆BCH蛋白在昆蟲中負責(zé)將神經(jīng)酰胺轉(zhuǎn)運至表皮?！标惤鹄f。然而，要想搞清楚相應(yīng)的轉(zhuǎn)運機制卻不容易，實驗再次陷入僵局長達一年之久。沮喪的陳金利向楊青匯報了這一情況。楊青認為，可能是實驗條件中的某種組分阻礙了ABCH蛋白的構(gòu)象變化，很難用冷凍電鏡捕獲到它與提供能量的分子ATP結(jié)合的構(gòu)象?！拔覀兂料滦膩碇匦聫?fù)盤之前的實驗數(shù)據(jù)?！标惤鹄f，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在ATP結(jié)合位點附近，居然存在一個“X”型電鏡密度，而且該密度的形狀與去垢劑LMNG的分子形貌極度相似。原來，ABCH蛋白捕獲了兩個LMNG分子，LMNG像鉗子一樣，“卡”住了蛋白的轉(zhuǎn)運通道和ATP結(jié)合環(huán)。更換去垢劑后，ABCH蛋白的活性提高了兩倍以上。他們發(fā)現(xiàn)，在ATP結(jié)合后，ABCH蛋白形成了類似擠壓泵的“機器”，蛋白由內(nèi)而外地收縮將神經(jīng)酰胺排出胞外。這一發(fā)現(xiàn)，讓他們意外獲得了抑制劑分子，LMNG的存在確實能夠顯著抑制ABCH蛋白的轉(zhuǎn)運能力。
獨特的“脂質(zhì)轉(zhuǎn)運”機制和“解毒”機制
楊青團隊發(fā)現(xiàn)，ABCH蛋白除了具有轉(zhuǎn)運脂質(zhì)方面的生理功能外，還具有外排殺蟲劑的功能，因而與害蟲的耐藥性相關(guān)。ABCH蛋白每次招募兩個殺蟲劑“苯氧威”分子進入“拱形”轉(zhuǎn)運通道，在ATP存在下，將具有細胞毒性的“苯氧威”分子排出細胞外。也就是說，他們發(fā)現(xiàn)的ABCH蛋白通道，既能把害蟲表皮形成所需的脂質(zhì)分子——神經(jīng)酰胺轉(zhuǎn)運到體外，也能把侵入害蟲的農(nóng)藥分子排出，對害蟲表皮的“保濕”和“排毒”功能極為重要。過去幾十年，關(guān)于人和微生物ABC轉(zhuǎn)運蛋白抑制劑的篩選以及抑制機理的研究已取得突破性進展。“然而，人們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)抑制劑的工作機制是阻斷跨膜轉(zhuǎn)運通道或阻斷ATP的水解。我們發(fā)現(xiàn)LMNG可以通過‘雙重鎖’機制同時阻斷ABCH蛋白的轉(zhuǎn)運通道與ATP水解?！睏钋嗾f。中國工程院院士、貴州大學(xué)校長宋寶安指出，楊青團隊首次在原子尺度極為詳盡地闡釋了昆蟲特有的ABCH蛋白與殺蟲劑分子間的精妙相互作用，開創(chuàng)性地提出ABCH蛋白運用特殊“擠壓泵”機制實現(xiàn)殺蟲劑分子外排的創(chuàng)新性分子機制。這無疑是昆蟲抗藥性機制研究領(lǐng)域一項具有深遠意義的科學(xué)進展。中國科學(xué)院院士康樂認為，ABCH蛋白轉(zhuǎn)運脂質(zhì)以及外排殺蟲劑分子的機制與其他ABC家族的轉(zhuǎn)運機制顯著不同，體現(xiàn)了昆蟲表皮生物合成的獨特性，是昆蟲學(xué)領(lǐng)域的重大進展。該研究發(fā)現(xiàn)了能抑制ABCH蛋白的小分子LMNG，為針對性開發(fā)新機制分子靶標(biāo)、有效解決抗藥性問題打開了全新思路，對推動我國農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.033
