新型农药靶标：害虫靠它“保湿”“排毒”

 

想象一下，害虫失去表皮会怎样？自然是活不长了。

科学家认为，找到害虫表皮中特有的成分和机制，就能找到新型绿色农药的靶标，实现“精准打击”。

为此，中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员杨青团队已经努力了数十年。

12月24日，《细胞》在线发表了杨青团队的最新研究成果。他们揭示了ABCH转运蛋白转运脂质和外排农药的分子机制，并获得了能够抑制转运功能的小分子抑制剂。该研究解析了害虫的“外部防御”和“解毒”机制，并找到了能直接用于合成绿色农药的有效成分。

中国工程院院士、华东师范大学校长钱旭红指出，该研究首次揭示了昆虫ABCH转运蛋白转运生理底物脂质以及外源杀虫剂底物的分子机制，并阐明了抑制剂分子的结合和抑制机理，为基于三维结构的新型杀虫剂筛选和设计提供了精确的靶点信息。这一原创性成果有望催生出一大批绿色、高效、靶向昆虫表皮脂质屏障形成过程的创新型农药产品。

“靶向”农药对害虫更“专一”

据联合国粮食及农业组织估算，全世界每年由农作物病虫害造成的产量损失高达40%，经济损失超过2200亿美元。

“虫口夺粮”成为摆在人们面前的一道难题。然而，喷洒农药、气味引诱、引入天敌等多种防治手段，存在增加害虫抗药性、成本过高、防治效果不理想等不足。人们逐渐意识到，相比“万能”农药，更需要对害虫“专一”的农药，于是靶向农药应运而生。所谓“靶向”，就是以害虫为靶，针对害虫独特的结构特征量身打造的一种农药，因其专一性强、安全高效、无污染，又被称为绿色农药。

钱旭红说，绿色农药创新研究和原创性靶标的发现是农业科技领域的重大科学问题和工程技术难题之一，是当今植物保护行业和农药产业可持续和高质量发展进程的必然趋势，也是研究中必须攀登和抢占的制高点。创制靶向农药的关键在于找到合适的农药分子靶标。农药分子靶标是指农药在分子水平上作用的特定生物分子或蛋白质，它们能够直接影响害虫的生命活动。

论文通讯作者杨青告诉《中国科学报》，基于新靶标，可以开发出更具靶向性和选择性的农药，减少对非靶标生物的伤害，从而降低环境污染和生态风险。此外，新靶标还可以突破现有农药的抗药性壁垒，延缓害虫和病原体的抗药性发展。这不仅能推动农药研发的创新，还为农业提供了更安全、更高效的防治手段，促进农业的可持续发展。

杨青带领团队深耕农药分子靶标领域数十年，研究聚焦昆虫表皮的几丁质生物学。

几丁质表皮对昆虫的生存至关重要，表皮的保湿作用、抗菌作用和高机械强度可以保证昆虫对各类严苛自然环境有强大适应能力。昆虫表皮中不溶于水的脂质成分可以防止昆虫体内水分蒸发并防止病原体入侵，减少外源物质和毒素的渗透。

杨青介绍，ABC转运蛋白是最大的跨膜转运蛋白超家族之一，参与生物体内多种物质的运输，其中ABCH亚家族转运蛋白在构建表皮脂质屏障中发挥关键作用。而且，ABCH亚家族存在于所有昆虫体内，在哺乳动物和植物中没有发现。“因此，ABCH蛋白成为防治害虫的理想分子靶标。”杨青说。

然而，ABCH的生理底物是什么？转运机制有什么独特之处？是否可以作为人畜安全的农药分子靶标？这些科学问题一直都没有得到阐明。

从开局不利到意外之喜

“要在蛋白层面研究功能机制，我们需要获得ABCH蛋白的高质量样品。”杨青说。

然而，第一次对ABCH蛋白进行纯化时，他们就遇到了棘手的问题。论文第一作者、大连理工大学博士生陈金利告诉《中国科学报》，ABCH蛋白经历多个步骤的纯化后，竟逐步降解。“这对于体外研究蛋白质功能的研究者来说，无疑是一个巨大的打击。这令我非常沮丧。” 陈金利说。

这时候，杨青鼓励他，重要的科研课题必然要经历重重考验，必须把握每一个细微的实验因素，逐步实现突破。

经过长达数月的摸索，陈金利终于筛选到让ABCH蛋白相对稳定存在的实验条件。但是，在纯化过程中要求实验速度非常快，而通常纯化一个蛋白需要3天。为了减少ABCH蛋白的降解，他必须将实验缩减到1天完成。

每到纯化蛋白的时候，陈金利就开始早出晚归的生活。功夫不负有心人，陈金利最后终于拿到了高纯度并且具有显著活性的蛋白样品。

基于高质量蛋白样品，陈金利很快解析出第一个ABCH蛋白高分辨率冷冻电镜结构，并在ABCH转运通道中发现一个类似于脂质分子形状的密度，并与神经酰胺类脂质的分子形貌非常匹配。后来他们断定，ABCH的生理底物就是神经酰胺类脂质。而一种俗称“面粉虫”的害虫——赤拟谷盗的表皮主要成分就是神经酰胺。

“ABCH蛋白在昆虫中负责将神经酰胺转运至表皮。”陈金利说。然而，要想搞清楚相应的转运机制却不容易，实验再次陷入僵局长达一年之久。沮丧的陈金利向杨青汇报了这一情况。

杨青认为，可能是实验条件中的某种组分阻碍了ABCH蛋白的构象变化，很难用冷冻电镜捕获到它与提供能量的分子ATP结合的构象。

“我们沉下心来重新复盘之前的实验数据。”陈金利说，结果发现，在ATP结合位点附近，居然存在一个“X”型电镜密度，而且该密度的形状与去垢剂LMNG的分子形貌极度相似。原来，ABCH蛋白捕获了两个LMNG分子，LMNG像钳子一样，“卡”住了蛋白的转运通道和ATP结合环。

更换去垢剂后，ABCH蛋白的活性提高了两倍以上。他们发现，在ATP结合后，ABCH蛋白形成了类似挤压泵的“机器”，蛋白由内而外地收缩将神经酰胺排出胞外。这一发现，让他们意外获得了抑制剂分子，LMNG的存在确实能够显著抑制ABCH蛋白的转运能力。

独特的“脂质转运”机制和“解毒”机制

杨青团队发现，ABCH蛋白除了具有转运脂质方面的生理功能外，还具有外排杀虫剂的功能，因而与害虫的耐药性相关。ABCH蛋白每次招募两个杀虫剂“苯氧威”分子进入“拱形”转运通道，在ATP存在下，将具有细胞毒性的“苯氧威”分子排出细胞外。

也就是说，他们发现的ABCH蛋白通道，既能把害虫表皮形成所需的脂质分子——神经酰胺转运到体外，也能把侵入害虫的农药分子排出，对害虫表皮的“保湿”和“排毒”功能极为重要。

过去几十年，关于人和微生物ABC转运蛋白抑制剂的筛选以及抑制机理的研究已取得突破性进展。“然而，人们发现绝大多数抑制剂的工作机制是阻断跨膜转运通道或阻断ATP的水解。我们发现LMNG可以通过‘双重锁’机制同时阻断ABCH蛋白的转运通道与ATP水解。”杨青说。

中国工程院院士、贵州大学校长宋宝安指出，杨青团队首次在原子尺度极为详尽地阐释了昆虫特有的ABCH蛋白与杀虫剂分子间的精妙相互作用，开创性地提出ABCH蛋白运用特殊“挤压泵”机制实现杀虫剂分子外排的创新性分子机制。这无疑是昆虫抗药性机制研究领域一项具有深远意义的科学进展。

中国科学院院士康乐认为，ABCH蛋白转运脂质以及外排杀虫剂分子的机制与其他ABC家族的转运机制显著不同，体现了昆虫表皮生物合成的独特性，是昆虫学领域的重大进展。该研究发现了能抑制ABCH蛋白的小分子LMNG，为针对性开发新机制分子靶标、有效解决抗药性问题打开了全新思路，对推动我国农业健康可持续发展具有重大战略意义。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.033