光明網(wǎng)訊（記者宋雅娟）幾丁質(zhì)俗稱甲殼素，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)物等不同種類的生物中，是地球上含量最豐富的氨基聚糖。幾丁質(zhì)的生物合成也是最古老的生物合成途徑之一。

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)基因組研究所楊青教授團(tuán)隊(duì)及其合作者在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）以研究長(zhǎng)文的形式在線發(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，包括三個(gè)步驟：酶與底物結(jié)合、新生成的幾丁質(zhì)鏈延伸、產(chǎn)物釋放，并闡明了活性小分子尼克霉素能夠抑制幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制。

【資料圖】

農(nóng)藥研發(fā)亟需找尋新靶標(biāo)

農(nóng)藥使用每年為國家減少約1000億元直接經(jīng)濟(jì)損失，但農(nóng)藥毒性和病蟲害產(chǎn)生的抗藥性使農(nóng)藥使用面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。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)與農(nóng)藥分子結(jié)合從而使農(nóng)藥分子發(fā)揮藥效的生物大分子。這些生物大分子可以是在病蟲害生長(zhǎng)發(fā)育過程中不可或缺的蛋白質(zhì)、酶、多肽和核酸等。

目前全球廣泛使用的殺蟲劑中70%的品種只針對(duì)5個(gè)分子靶標(biāo)，廣泛使用的殺菌劑中60%的只針對(duì)3個(gè)靶標(biāo)。長(zhǎng)期使用針對(duì)單一靶標(biāo)的農(nóng)藥很容易使病蟲害產(chǎn)生高的抗藥性，最終導(dǎo)致農(nóng)藥無法控制病蟲害種群而出現(xiàn)病蟲害暴發(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。

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。幾丁質(zhì)不存在于植物和哺乳動(dòng)物中，因此幾丁質(zhì)合成酶是高效、安全、生態(tài)友好的農(nóng)藥創(chuàng)制的重要靶標(biāo)之一。同時(shí)，幾丁質(zhì)在昆蟲和真菌中均為不可或缺的結(jié)構(gòu)成分，因此，幾丁質(zhì)合成酶既是殺菌劑的靶標(biāo)，又是殺蟲劑的靶標(biāo)。

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(chǎng)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(chǎng)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。

從原子水平認(rèn)識(shí)幾丁質(zhì)生物合成過程

楊青教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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。本項(xiàng)成果選取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的幾丁質(zhì)合成酶PsChs1為研究對(duì)象。大豆疫霉是引起大豆根莖腐爛的主要病原體，每年造成超過10億美元的經(jīng)濟(jì)損失?；蚯贸齈sChs1會(huì)損害菌絲體生長(zhǎng)、孢子囊產(chǎn)生和游動(dòng)孢子釋放，從而極大降低大豆疫霉的毒力。因此，PsChs1不僅可以作為良好的殺菌劑靶標(biāo)，也可以作為幾丁質(zhì)合成酶研究的一個(gè)模型。

楊青團(tuán)隊(duì)通過前沿生物學(xué)技術(shù)包括冷凍電鏡、掃描電鏡、X射線衍射等，解析了4個(gè)不同催化反應(yīng)狀態(tài)PsChs1的三維結(jié)構(gòu)，揭示了幾丁質(zhì)合成酶實(shí)現(xiàn)幾丁質(zhì)生物合成的三個(gè)重要過程：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。這是第一次從原子水平上向人們展示了一個(gè)有方向性的、多步驟偶聯(lián)的幾丁質(zhì)生物合成過程。

圖1 PsChs1的三維結(jié)構(gòu)

圖2 幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制

進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)還探明了幾丁質(zhì)合成酶與活性小分子尼克霉素結(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。

圖3 PsChs1與尼克霉素的復(fù)合物

這一工作為人畜安全的綠色農(nóng)藥創(chuàng)制提供了關(guān)鍵的分子靶標(biāo)結(jié)構(gòu)信息，為控制病蟲害對(duì)現(xiàn)有農(nóng)藥的抗藥性提供了全新解決方案，為農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)的變革和綠色發(fā)展開辟了新方向。該論文是全球農(nóng)藥領(lǐng)域近年來最重要的基礎(chǔ)研究進(jìn)展之一。這一原創(chuàng)性工作為靶向幾丁質(zhì)合成的綠色農(nóng)藥開發(fā)提供了基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性信息，使得以幾丁質(zhì)合成酶為分子靶標(biāo)精準(zhǔn)開發(fā)新型綠色農(nóng)藥成為科學(xué)可行的方案，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

為綠色農(nóng)藥研發(fā)提供新依據(jù)

《Nature》期刊論文匿名評(píng)審專家認(rèn)為“盡管幾丁質(zhì)存在于各種不同的生命形式中，幾丁質(zhì)生物合成機(jī)制在進(jìn)化上是保守的。這個(gè)工作是創(chuàng)新的，無疑具有廣泛的影響力”。

中國科學(xué)院院士、美國科學(xué)院外籍院士、河北大學(xué)校長(zhǎng)康樂指出，幾丁質(zhì)的生物合成是一個(gè)極為古老且保守的途徑，卵菌可能是可以合成幾丁質(zhì)的最低等生物。幾丁質(zhì)的生物合成對(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。該研究利用冷凍電鏡，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。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。

中國工程院院士、貴州大學(xué)校長(zhǎng)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。該研究解析了一個(gè)公認(rèn)綠色的農(nóng)藥分子靶標(biāo)——幾丁質(zhì)合成酶的三維結(jié)構(gòu)，闡明了幾丁質(zhì)生物合成的機(jī)制和抑制劑的作用機(jī)制，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，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(jìng)爭(zhēng)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。

中國工程院院士、華東師范大學(xué)校長(zhǎng)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，通過在原子尺度上對(duì)幾丁質(zhì)合成酶與底物、產(chǎn)物和抑制劑的結(jié)合模式的分析，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。幾丁質(zhì)合成機(jī)制在病蟲害中的保守性使得幾丁質(zhì)合成酶作為綠色農(nóng)藥分子靶標(biāo)具有重要意義。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。該工作也是全球農(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。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所為論文的第一完成單位，植保所陳威副研究員、北京工業(yè)大學(xué)曹鵬教授和大連理工大學(xué)劉元盛博士為本文共同第一作者，植保所楊青教授和中國科學(xué)院高能物理所龔勇研究員為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳基因組研究所于愛玲博士后、陳磊博士后，大連理工大學(xué)王棟博士，天津大學(xué)尉遲之光教授、Rajamanikandan Sundarraj博士后，以及德國錫根大學(xué)Hans Merzendorfer教授也參與了本文的研究。