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昆虫几丁质氧化降解新机制

2022-06-01 

周期性的蜕皮是昆虫为了应对其外骨骼不能随身体长大而进化出的特殊生理过程。在此过程中,昆虫分泌多种酶类实现其主要结构成分几丁质的合成与降解,这对于昆虫的生长发育至关重要。由于几丁质不存在于高等动植物中,因此,参与昆虫几丁质合成和降解的酶是实现可持续害虫控制的潜在分子靶标。

长期以来,人们认为昆虫几丁质的降解只有水解酶参与,但水解酶对几丁质的降解能力有限。近年来,人们在微生物中发现一类裂解性多糖单加氧酶(LPMO),能够通过氧化的方式断裂晶态几丁质的糖苷键,实现几丁质的降解,显著提高几丁质酶降解几丁质的效率。昆虫中是否存在几丁质氧化裂解酶,其在几丁质降解过程中是否发挥关键的作用均是未知的科学问题。

在杨青教授和Yasuyuki Arakane教授的领导下,由美高梅4858线路登录、中国农科科学院和韩国全南国立大学组成的研究团队系统揭示了昆虫中15家族裂解性多糖单加氧酶(LPMO15)在昆虫发育过程中的重要功能。研究发现,昆虫中LPMO15可被分为三个家族,其中I家族LPMO15(LPMO15-1)主要在昆虫蜕皮过程的表皮及气管中表达。通过RNAi使其基因表达量的降低将导致东亚飞蝗和赤拟谷盗在蜕皮过程中因表皮中含几丁质层不能有效降解而死亡(图1)。通过酵母细胞表达的LPMO15-1重组蛋白具有裂解性多糖单加氧酶的活性,能够通过C1位氧化的方式断裂几丁质产生氧化产物,并与几丁质酶具有协同作用,促进几丁质酶对几丁质的降解。

图1 东亚飞蝗中LmLPMO15-1的RNAi导致旧表皮不能被有效降解

III家族LPMO15(LPMO15-3)主要在昆虫蜕皮过程的中肠中表达。通过RNAi使其基因表达量的降低将导致东亚飞蝗在蜕皮过程中死亡,其中肠中围食膜不能得到有效降解(图2)。

图2东亚飞蝗中LmLPMO15-3参与中肠围食膜的降解过程

以上工作发现并证明了一类新酶——几丁质氧化裂解酶(LPMO15),通过氧化而非水解的新机制断裂几丁质链,辅助几丁质酶降解几丁质,革新了人们对于昆虫几丁质降解体系的认识。LPMO15在昆虫中重要的生理功能表明其可以作为重要的靶标应用于有害昆虫的防治。

相关成果近期发表在《Communications Biology》和《Insect Science》上。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s42003-022-03469-8;https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1744-7917.13016?af=R。

研究工作得到了国家自然科学基金项目(31872972,31830076和32161133010),深圳市科技计划项目(KQTD20180411143628272)资助。

两篇文章的第一作者均来自于美高梅4858线路登录生物分子靶标研究室屈明博副教授杨青教授领导的团队长期从事昆虫表皮纳米生物学的研究,针对病原菌、有害昆虫等均以几丁质作为结构多糖的特点,运用结构生物学和化学生物学等方法系统研究这些生物的几丁质降解、合成与装配,发现创新的绿色农药分子靶标、开发绿色农药和蛋白质仿生材料。

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