想象一下，害蟲失去表皮會怎樣？自然是活不長了。科學家認為，找到害蟲表皮中特有的成分和機制，就能找到新型綠色農藥的靶標，實現“精準打擊”。為此，中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員楊青團隊已經努力了數十年。12月24日，《細胞》在線發表了楊青團隊的最新研究成果。他們揭示了ABCH轉運蛋白轉運脂質和外排農藥的分子機制，并獲得了能夠抑制轉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藥的有效成分。中國工程院院士、華東師范大學校長錢旭紅指出，該研究首次揭示了昆蟲ABCH轉運蛋白轉運生理底物脂質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合和抑制機理，為基于三維結構的新型殺蟲劑篩選和設計提供了精確的靶點信息。這一原創性成果有望催生出一大批綠色、高效、靶向昆蟲表皮脂質屏障形成過程的創新型農藥產品。
“靶向”農藥對害蟲更“專一”
據聯合國糧食及農業組織估算，全世界每年由農作物病蟲害造成的產量損失高達40%，經濟損失超過2200億美元。“蟲口奪糧”成為擺在人們面前的一道難題。然而，噴灑農藥、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”農藥，更需要對害蟲“專一”的農藥，于是靶向農藥應運而生。所謂“靶向”，就是以害蟲為靶，針對害蟲獨特的結構特征量身打造的一種農藥，因其專一性強、安全高效、無污染，又被稱為綠色農藥。錢旭紅說，綠色農藥創新研究和原創性靶標的發現是農業科技領域的重大科學問題和工程技術難題之一，是當今植物保護行業和農藥產業可持續和高質量發展進程的必然趨勢，也是研究中必須攀登和搶占的制高點。創制靶向農藥的關鍵在于找到合適的農藥分子靶標。農藥分子靶標是指農藥在分子水平上作用的特定生物分子或蛋白質，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《中國科學報》，基于新靶標，可以開發出更具靶向性和選擇性的農藥，減少對非靶標生物的傷害，從而降低環境污染和生態風險。此外，新靶標還可以突破現有農藥的抗藥性壁壘，延緩害蟲和病原體的抗藥性發展。這不僅能推動農藥研發的創新，還為農業提供了更安全、更高效的防治手段，促進農業的可持續發展。楊青帶領團隊深耕農藥分子靶標領域數十年，研究聚焦昆蟲表皮的幾丁質生物學。幾丁質表皮對昆蟲的生存至關重要，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苛自然環境有強大適應能力。昆蟲表皮中不溶于水的脂質成分可以防止昆蟲體內水分蒸發并防止病原體入侵，減少外源物質和毒素的滲透。楊青介紹，ABC轉運蛋白是最大的跨膜轉運蛋白超家族之一，參與生物體內多種物質的運輸，其中ABCH亞家族轉運蛋白在構建表皮脂質屏障中發揮關鍵作用。而且，ABCH亞家族存在于所有昆蟲體內，在哺乳動物和植物中沒有發現。“因此，ABCH蛋白成為防治害蟲的理想分子靶標。”楊青說。然而，ABCH的生理底物是什么？轉運機制有什么獨特之處？是否可以作為人畜安全的農藥分子靶標？這些科學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蛋白的高質量樣品。”楊青說。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、大連理工大學博士生陳金利告訴《中國科學報》，ABCH蛋白經歷多個步驟的純化后，竟逐步降解。“這對于體外研究蛋白質功能的研究者來說，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歷重重考驗，必須把握每一個細微的實驗因素，逐步實現突破。經過長達數月的摸索，陳金利終于篩選到讓ABCH蛋白相對穩定存在的實驗條件。但是，在純化過程中要求實驗速度非常快，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構，并在ABCH轉運通道中發現一個類似于脂質分子形狀的密度，并與神經酰胺類脂質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酰胺類脂質。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酰胺。“ABCH蛋白在昆蟲中負責將神經酰胺轉運至表皮。”陳金利說。然而，要想搞清楚相應的轉運機制卻不容易，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蛋白的構象變化，很難用冷凍電鏡捕獲到它與提供能量的分子ATP結合的構象。“我們沉下心來重新復盤之前的實驗數據。”陳金利說，結果發現，在ATP結合位點附近，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”住了蛋白的轉運通道和ATP結合環。更換去垢劑后，ABCH蛋白的活性提高了兩倍以上。他們發現，在ATP結合后，ABCH蛋白形成了類似擠壓泵的“機器”，蛋白由內而外地收縮將神經酰胺排出胞外。這一發現，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蛋白的轉運能力。
獨特的“脂質轉運”機制和“解毒”機制
楊青團隊發現，ABCH蛋白除了具有轉運脂質方面的生理功能外，還具有外排殺蟲劑的功能，因而與害蟲的耐藥性相關。ABCH蛋白每次招募兩個殺蟲劑“苯氧威”分子進入“拱形”轉運通道，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，他們發現的ABCH蛋白通道，既能把害蟲表皮形成所需的脂質分子——神經酰胺轉運到體外，也能把侵入害蟲的農藥分子排出，對害蟲表皮的“保濕”和“排毒”功能極為重要。過去幾十年，關于人和微生物ABC轉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，人們發現絕大多數抑制劑的工作機制是阻斷跨膜轉運通道或阻斷ATP的水解。我們發現LMNG可以通過‘雙重鎖’機制同時阻斷ABCH蛋白的轉運通道與ATP水解。”楊青說。中國工程院院士、貴州大學校長宋寶安指出，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，開創性地提出ABCH蛋白運用特殊“擠壓泵”機制實現殺蟲劑分子外排的創新性分子機制。這無疑是昆蟲抗藥性機制研究領域一項具有深遠意義的科學進展。中國科學院院士康樂認為，ABCH蛋白轉運脂質以及外排殺蟲劑分子的機制與其他ABC家族的轉運機制顯著不同，體現了昆蟲表皮生物合成的獨特性，是昆蟲學領域的重大進展。該研究發現了能抑制ABCH蛋白的小分子LMNG，為針對性開發新機制分子靶標、有效解決抗藥性問題打開了全新思路，對推動我國農業健康可持續發展具有重大戰略意義。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.033
