中國科學(xué)家破譯古老的生物合成之謎

幾丁質(zhì)生物合成是一個(gè)古老而保守的合成途徑。中國科學(xué)報(bào)社科學(xué)可視化中心制圖

從三葉蟲到蝴蝶，從?？轿伵?，從酵母到念球菌……都有幾丁質(zhì)的身影。幾丁質(zhì)俗稱甲殼素，早在5.3億年前寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)，如今廣泛存在于真菌、節(jié)肢動(dòng)物、軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、腔腸動(dòng)物和原生動(dòng)物中，卻從不會(huì)在植物和哺乳動(dòng)物體內(nèi)合成。

科學(xué)家一直試圖解開幾丁質(zhì)生物合成這一古老而保守的合成途徑的奧秘。9月21日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/農(nóng)業(yè)基因組研究所教授楊青團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院高能物理所研究員龔勇在《自然》（Nature）在線發(fā)表了歷時(shí)十五年完成的一項(xiàng)研究成果。

該研究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，并闡明了尼克霉素抑制幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制。這是我國農(nóng)藥研究領(lǐng)域首篇發(fā)表在《自然》的論文。

中國工程院院士、華東師范大學(xué)校長錢旭紅指出，該研究突破了幾丁質(zhì)農(nóng)藥領(lǐng)域一個(gè)近50年的發(fā)展瓶頸，為人類數(shù)十年以來未能實(shí)現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境友好農(nóng)藥的夢(mèng)想提供了實(shí)現(xiàn)的舞臺(tái)：基于幾丁質(zhì)合成酶的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)綠色農(nóng)藥。此研究成果具有里程碑的意義，標(biāo)志著中國農(nóng)藥研發(fā)水平提升到了基礎(chǔ)理論原始創(chuàng)新的高度。這也是全球農(nóng)藥創(chuàng)新研究與開發(fā)近幾十年來最重要的基礎(chǔ)性進(jìn)展之一。

綠色農(nóng)藥的新希望

幾丁質(zhì)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。

中國科學(xué)院院士、河北大學(xué)校長康樂說，卵菌可能是可以合成幾丁質(zhì)的最低等生物。幾丁質(zhì)合成是一個(gè)極為古老且保守的途徑，其對(duì)昆蟲和節(jié)肢動(dòng)物外胚層形成的外骨骼、氣管、消化道等的成形和發(fā)育至關(guān)重要，而且是許多微生物的碳氮來源。

論文通訊作者楊青告訴《中國科學(xué)報(bào)》，幾丁質(zhì)在昆蟲和真菌中均為不可或缺的結(jié)構(gòu)成分，但并不存在于植物和哺乳動(dòng)物中，因此幾丁質(zhì)合成酶是創(chuàng)制高效、安全、生態(tài)友好農(nóng)藥的重要靶標(biāo)之一?！皫锥≠|(zhì)合成酶既是殺菌劑的靶標(biāo)，又是殺蟲劑的靶標(biāo)?！睏钋嗾f。

當(dāng)前，農(nóng)藥使用每年為我國減少約1000億元直接經(jīng)濟(jì)損失，但農(nóng)藥毒性和病蟲害產(chǎn)生的抗藥性帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。楊青說，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)可與農(nóng)藥分子結(jié)合從而發(fā)揮藥效的生物大分子，如蛋白質(zhì)、酶、多肽和核酸等。

然而，目前全球70%廣泛使用的殺蟲劑品種只針對(duì)5個(gè)分子靶標(biāo)，60%廣泛使用的殺菌劑品種只針對(duì)3個(gè)靶標(biāo)?！胺肿影袠?biāo)非常少?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅脖Ｋ毖芯繂T陳威說，長期使用針對(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。

中國工程院院士、貴州大學(xué)校長宋寶安指出，對(duì)于綠色農(nóng)藥分子靶標(biāo)的開發(fā)和利用已經(jīng)成為國家的重大需求，一個(gè)新的靶標(biāo)不僅可以催生出幾十甚至上百種農(nóng)藥品種，也能極大緩解已有農(nóng)藥品種的抗藥性問題。

從上世紀(jì)七十年代起，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)用和市場前景。例如，1976年拜耳公司發(fā)現(xiàn)的尼克霉素對(duì)馬鈴薯疫霉、同絲水霉、煙曲霉等多種農(nóng)業(yè)病原菌表現(xiàn)出良好的殺菌活性，并且作為人用的抗真菌藥物已經(jīng)進(jìn)入II 期臨床試驗(yàn)。1978年人工合成的苯甲酰脲類化合物可以有效阻止昆蟲的幾丁質(zhì)合成，目前該類化合物農(nóng)藥占據(jù)殺蟲劑市場的3%，年銷售達(dá)到4.41億美元。

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?！睏钋嗾f，幾丁質(zhì)合成酶研究難點(diǎn)在于它是結(jié)合在細(xì)胞膜上的膜蛋白。膜蛋白要在體外穩(wěn)定存在，需要一個(gè)能模擬細(xì)胞膜的環(huán)境，這是很難做到的。

首次揭示幾丁質(zhì)合成的分子機(jī)制

“我們對(duì)幾丁質(zhì)合成酶沒有解決的科學(xué)問題一直很清楚，所以能在技術(shù)成熟的時(shí)候，直奔這個(gè)問題去找答案?！睏钋嗾f，成功解析幾丁質(zhì)合成酶的奧秘，既得益于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也得益于她的團(tuán)隊(duì)長期致力于幾丁質(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。

他們選取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的幾丁質(zhì)合成酶PsChs1為研究對(duì)象。陳威介紹，大豆疫霉菌屬于卵菌，是引起大豆根莖腐爛的主要病原體，每年在全球造成超過10億美元的經(jīng)濟(jì)損失。大豆疫霉病造成每年我國大豆欠收10%。

通過冷凍電鏡、掃描電鏡、X射線衍射等技術(shù)，楊青團(tuán)隊(duì)解析了5個(gè)不同態(tài)下幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu)，它們分別代表了酶的自由狀態(tài)、與底物結(jié)合狀態(tài)、幾丁質(zhì)鏈結(jié)合狀態(tài)、產(chǎn)物結(jié)合狀態(tài)以及酶活性被抑制的狀態(tài)。

幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu) 中國農(nóng)科院供圖

陳威說，這些結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，首次揭示了幾丁質(zhì)合成酶的工作機(jī)制：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。

幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制 中國農(nóng)科院供圖

康樂指出，該研究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。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，敲除疫霉菌幾丁質(zhì)合成酶基因后，疫霉菌菌絲體生長、孢子囊產(chǎn)生和游動(dòng)孢子釋放等生命過程受到了損害，疫霉菌的毒力和繁殖能力從而極大降低。因此，大豆疫霉菌幾丁質(zhì)合成酶不僅可以作為良好的殺菌劑靶標(biāo)，也可作為幾丁質(zhì)合成酶研究的一個(gè)模型。

該團(tuán)隊(duì)還探明了幾丁質(zhì)合成酶與活性小分子抑制劑尼克霉素結(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。

綠色農(nóng)藥精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的里程碑

“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?！笨禈氛f。

楊青強(qiáng)調(diào)，由于大豆疫霉菌幾丁質(zhì)合成酶與全球十大最嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)疫霉菌，如馬鈴薯疫霉菌、橡樹疫霉菌和辣椒疫霉菌等的基因序列相似性超過95%，大豆疫霉菌幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu)為分子設(shè)計(jì)殺菌劑防控大豆疫霉病和馬鈴薯晚疫病等提供了模板。這為創(chuàng)制農(nóng)業(yè)害蟲的全新防控藥物、解決抗藥性問題提供了可能。

宋寶安指出，這是我國科學(xué)家在農(nóng)藥分子靶標(biāo)研究領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，使得以幾丁質(zhì)合成酶為靶標(biāo)的綠色農(nóng)藥精準(zhǔn)設(shè)計(jì)成為了可能。有助于創(chuàng)制出重量級(jí)的綠色農(nóng)藥品種，提升我國農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)的核心競爭力和對(duì)農(nóng)業(yè)有害生物的防控能力，保障我國糧食安全。

幾丁質(zhì)合成酶與尼克霉素的復(fù)合物 中國農(nóng)科院供圖

楊青告訴《中國科學(xué)報(bào)》，幾丁質(zhì)的生物合成機(jī)制很保守，但是不同物種的幾丁質(zhì)合成酶結(jié)構(gòu)還是會(huì)存在差異?！拔覀冃枰獜V泛地篩選所設(shè)計(jì)的小分子，確保它對(duì)有益昆蟲的安全性?！?/p>

下一步，他們將深入開展大豆疫霉、馬鈴薯疫霉等重要病原菌以及草地貪夜蛾、亞洲飛蝗等重大害蟲幾丁質(zhì)合成酶抑制劑的分子設(shè)計(jì)研究。開展田間實(shí)驗(yàn)，測評(píng)這些幾丁質(zhì)合成酶抑制劑的田間防效和安全性，并完成自主創(chuàng)新的農(nóng)藥登記。

“從研究到生產(chǎn)應(yīng)用可能需要10年甚至更長的時(shí)間，其中涉及了各個(gè)國家對(duì)藥物的審批制度，尤其是農(nóng)藥，需要確保對(duì)人、畜以及水生生物、環(huán)境是安全的，需要做很多進(jìn)一步的研究?！睏钋嗾f。

中國農(nóng)科院植物保護(hù)研究所為論文的第一完成單位。陳威、北京工業(yè)大學(xué)教授曹鵬和大連理工大學(xué)博士劉元盛為本文共同第一作者，楊青和龔勇為共同通訊作者。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05244-5

來源：中國科學(xué)報(bào)https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/9/486613.shtm