記者今天從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院獲悉，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/農(nóng)業(yè)基因組研究所楊青教授團(tuán)隊(duì)及其合作者，前不久解析了大豆疫霉菌幾丁質(zhì)合成酶的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次揭示了幾丁質(zhì)生物合成的完整過程，并闡明了活性小分子尼克霉素能夠抑制幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制。
這一歷時(shí)15年完成的研究成果，北京時(shí)間9月21日深夜在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）以研究長(zhǎng)文的形式發(fā)表。
中國科學(xué)院院士、美國科學(xué)院外籍院士、河北大學(xué)校長(zhǎng)康樂稱，該研究利用冷凍電鏡，首次從原子尺度揭示了由幾丁質(zhì)合成酶催化完成的一個(gè)多步驟的、定向的幾丁質(zhì)生物合成過程，是生物學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展。幾丁質(zhì)合成酶及其與底物、產(chǎn)物以及抑制劑結(jié)合的結(jié)構(gòu)信息，也為針對(duì)幾丁質(zhì)合成酶理性設(shè)計(jì)小分子從而控制有害昆蟲的種群數(shù)量帶來了新曙光。
幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制示意圖。中國農(nóng)科院植保所供圖
農(nóng)藥使用每年為國家減少約1000億元直接經(jīng)濟(jì)損失，但農(nóng)藥毒性和病蟲害產(chǎn)生的抗藥性使農(nóng)藥使用面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。加速研發(fā)安全、新作用機(jī)制的農(nóng)藥是有效解決途徑，其科學(xué)問題的核心在于農(nóng)藥分子靶標(biāo)，即病蟲害體內(nèi)與農(nóng)藥分子結(jié)合從而使農(nóng)藥分子發(fā)揮藥效的生物大分子。這些生物大分子可以是在病蟲害生長(zhǎng)發(fā)育過程中不可或缺的蛋白質(zhì)、酶、多肽和核酸等。
楊青介紹，目前全球廣泛使用的殺蟲劑中70%的品種只針對(duì)5個(gè)分子靶標(biāo)，廣泛使用的殺菌劑中60%的只針對(duì)3個(gè)靶標(biāo)。長(zhǎng)期使用針對(duì)單一靶標(biāo)的農(nóng)藥很容易使病蟲害產(chǎn)生高的抗藥性，最終導(dǎo)致農(nóng)藥無法控制病蟲害種群而出現(xiàn)病蟲害爆發(fā)頻發(fā)的災(zāi)害，這也是全球農(nóng)業(yè)病蟲害防控所面臨的重大問題。
幾丁質(zhì)俗稱甲殼素，是由N-乙酰氨基葡萄糖構(gòu)成的天然生物高分子，其生物合成對(duì)大量生物的生存和繁殖至關(guān)重要，這些生物也包括許多嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的害蟲、病原真菌和卵菌等。幾丁質(zhì)不存在于植物和哺乳動(dòng)物中，因此幾丁質(zhì)合成酶是高效、安全、生態(tài)友好的農(nóng)藥創(chuàng)制的重要靶標(biāo)之一。
從20世紀(jì)70年代起，人們就陸續(xù)開發(fā)了能抑制幾丁質(zhì)合成的活性小分子化合物，這些化合物作為殺菌劑和殺蟲劑已經(jīng)表現(xiàn)出極大的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。然而在過去的50年中，盡管全球各國投入了大量的人力、物力和熱情，試圖研發(fā)出更多種類和更加高效的靶向幾丁質(zhì)合成酶的綠色農(nóng)藥，但始終進(jìn)展緩慢。其中一個(gè)重要原因是缺乏準(zhǔn)確的幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu)信息，幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系不明確，嚴(yán)重阻礙了針對(duì)該酶設(shè)計(jì)新的農(nóng)藥品種。
楊青教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于幾丁質(zhì)生物學(xué)研究，在幾丁質(zhì)合成、水解和修飾方面具有豐厚的積累。本項(xiàng)成果選取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的幾丁質(zhì)合成酶PsChs1為研究對(duì)象。大豆疫霉是引起大豆根莖腐爛的主要病原體，每年造成超過10億美元的經(jīng)濟(jì)損失?；蚯贸齈sChs1會(huì)損害菌絲體生長(zhǎng)、孢子囊產(chǎn)生和游動(dòng)孢子釋放，從而極大降低大豆疫霉的毒力。因此，PsChs1不僅可以作為良好的殺菌劑靶標(biāo)，也可以作為幾丁質(zhì)合成酶研究的一個(gè)模型。
楊青團(tuán)隊(duì)通過前沿生物學(xué)技術(shù)包括冷凍電鏡、掃描電鏡、X射線衍射等，解析了4個(gè)不同催化反應(yīng)狀態(tài)PsChs1的三維結(jié)構(gòu)，揭示了幾丁質(zhì)合成酶實(shí)現(xiàn)幾丁質(zhì)生物合成的三個(gè)重要過程：首先，幾丁質(zhì)合成酶將供體底物上的糖基轉(zhuǎn)移到受體幾丁質(zhì)糖鏈上；接著，新生成的幾丁質(zhì)糖鏈通過細(xì)胞膜上的“跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”通道釋放到細(xì)胞外；最后，釋放的幾丁質(zhì)鏈自發(fā)組裝成幾丁質(zhì)納米纖維。這是第一次從原子水平上向人們展示了一個(gè)有方向性的、多步驟偶聯(lián)的幾丁質(zhì)生物合成過程。
進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)還探明了幾丁質(zhì)合成酶與活性小分子尼克霉素結(jié)合的模式，解釋了尼克霉素抑制幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制。
這一工作為人畜安全的綠色農(nóng)藥創(chuàng)制提供了關(guān)鍵的分子靶標(biāo)結(jié)構(gòu)信息，為控制病蟲害對(duì)現(xiàn)有農(nóng)藥的抗藥性提供了全新解決方案，為農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)的變革和綠色發(fā)展開辟了新方向。該論文是全球農(nóng)藥領(lǐng)域近年來最重要的基礎(chǔ)研究進(jìn)展之一。這一原創(chuàng)性工作為靶向幾丁質(zhì)合成的綠色農(nóng)藥開發(fā)提供了基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性信息，使得以幾丁質(zhì)合成酶為分子靶標(biāo)精準(zhǔn)開發(fā)新型綠色農(nóng)藥成為科學(xué)可行的方案，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。
據(jù)介紹，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所為論文的第一完成單位，植保所陳威副研究員、北京工業(yè)大學(xué)曹鵬教授和大連理工大學(xué)劉元盛博士為本文共同第一作者，植保所楊青教授和中國科學(xué)院高能物理所龔勇研究員為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳基因組研究所于愛玲博士后、陳磊博士后，大連理工大學(xué)王棟博士，天津大學(xué)尉遲之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士后，以及德國錫根大學(xué)Hans Merzendorfer教授也參與了本文的研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目及深圳市大鵬新區(qū)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的資助。
