昆蟲幾丁質(zhì)氧化降解新機制
周期性的蛻皮是昆蟲為了應(yīng)對其外骨骼不能隨身體長大而進化出的特殊生理過程。在此過程中，昆蟲分泌多種酶類實現(xiàn)其主要結(jié)構(gòu)成分幾丁質(zhì)的合成與降解，這對于昆蟲的生長發(fā)育至關(guān)重要。由于幾丁質(zhì)不存在于高等動植物中，因此，參與昆蟲幾丁質(zhì)合成和降解的酶是實現(xiàn)可持續(xù)害蟲控制的潛在分子靶標(biāo)。
長期以來，人們認(rèn)為昆蟲幾丁質(zhì)的降解只有水解酶參與，但水解酶對幾丁質(zhì)的降解能力有限。近年來，人們在微生物中發(fā)現(xiàn)一類裂解性多糖單加氧酶（LPMO），能夠通過氧化的方式斷裂晶態(tài)幾丁質(zhì)的糖苷鍵，實現(xiàn)幾丁質(zhì)的降解，顯著提高幾丁質(zhì)酶降解幾丁質(zhì)的效率。昆蟲中是否存在幾丁質(zhì)氧化裂解酶，其在幾丁質(zhì)降解過程中是否發(fā)揮關(guān)鍵的作用均是未知的科學(xué)問題。
在楊青教授和Yasuyuki Arakane教授的領(lǐng)導(dǎo)下，由大連理工大學(xué)、中國農(nóng)科科學(xué)院和韓國全南國立大學(xué)組成的研究團隊系統(tǒng)揭示了昆蟲中15家族裂解性多糖單加氧酶（LPMO15）在昆蟲發(fā)育過程中的重要功能。研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲中LPMO15可被分為三個家族，其中I家族LPMO15（LPMO15-1）主要在昆蟲蛻皮過程的表皮及氣管中表達。通過RNAi使其基因表達量的降低將導(dǎo)致東亞飛蝗和赤擬谷盜在蛻皮過程中因表皮中含幾丁質(zhì)層不能有效降解而死亡（圖1）。通過酵母細(xì)胞表達的LPMO15-1重組蛋白具有裂解性多糖單加氧酶的活性，能夠通過C1位氧化的方式斷裂幾丁質(zhì)產(chǎn)生氧化產(chǎn)物，并與幾丁質(zhì)酶具有協(xié)同作用，促進幾丁質(zhì)酶對幾丁質(zhì)的降解。
圖1 東亞飛蝗中LmLPMO15-1的RNAi導(dǎo)致舊表皮不能被有效降解
III家族LPMO15（LPMO15-3）主要在昆蟲蛻皮過程的中腸中表達。通過RNAi使其基因表達量的降低將導(dǎo)致東亞飛蝗在蛻皮過程中死亡，其中腸中圍食膜不能得到有效降解（圖2）。
圖2東亞飛蝗中LmLPMO15-3參與中腸圍食膜的降解過程
以上工作發(fā)現(xiàn)并證明了一類新酶——幾丁質(zhì)氧化裂解酶（LPMO15），通過氧化而非水解的新機制斷裂幾丁質(zhì)鏈，輔助幾丁質(zhì)酶降解幾丁質(zhì)，革新了人們對于昆蟲幾丁質(zhì)降解體系的認(rèn)識。LPMO15在昆蟲中重要的生理功能表明其可以作為重要的靶標(biāo)應(yīng)用于有害昆蟲的防治。
相關(guān)成果近期發(fā)表在《Communications Biology》和《Insect Science》上。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s42003-022-03469-8；https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1744-7917.13016?af=R。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（31872972，31830076和32161133010），深圳市科技計劃項目（KQTD20180411143628272）資助。
兩篇文章的第一作者均來自于大連理工大學(xué)生物工程學(xué)院生物分子靶標(biāo)研究室屈明博副教授。楊青教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊長期從事昆蟲表皮納米生物學(xué)的研究，針對病原菌、有害昆蟲等均以幾丁質(zhì)作為結(jié)構(gòu)多糖的特點，運用結(jié)構(gòu)生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)等方法系統(tǒng)研究這些生物的幾丁質(zhì)降解、合成與裝配，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的綠色農(nóng)藥分子靶標(biāo)、開發(fā)綠色農(nóng)藥和蛋白質(zhì)仿生材料。
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