殺蟲(chóng)蛋白 Mpf2Ba1，揭示了孔形成的關(guān)鍵分子機制

2023年7月13日，Nature communications在線(xiàn)發(fā)表了一篇題為“Structural journey of an insecticidal protein against western corn rootworm"的研究論文。作者鑒定了一種對 WCR 有活性的殺蟲(chóng)蛋白 Mpf2Ba1，并對非 Bt 生物體的 PFP 進(jìn)行了全面的結構功能表征，揭示了孔形成的關(guān)鍵分子機制。

成孔蛋白 (PFP) 是一類(lèi)主要的可溶性蛋白，它們寡聚成環(huán)并發(fā)生巨大的不可逆構象變化，成為跨膜組裝體并突破靶細胞膜。由此產(chǎn)生的孔隙中不受控制的離子流入/流出會(huì )造成嚴重的滲透失衡和毒性，最終導致細胞死亡。

蘇云金芽孢桿菌(Bt) 的 PFP 一直是轉基因抗蟲(chóng)作物的基礎，近三十年被全球種植者使用。PFP提供的抗蟲(chóng)性十分有效，并且具有環(huán)境和經(jīng)濟效益。影響北美和歐洲玉米生產(chǎn)并導致重大產(chǎn)量損失的特別具有破壞性的害蟲(chóng)之一是鞘翅目的西部玉米根蟲(chóng)（WCR；Diabrotica virgifera virgifera）。自21世紀初以來(lái)，表達Cry3類(lèi)Bt蛋白（mCry3Aa、Cry3Bb1和eCry3.1Ab）的轉基因玉米作物使得這種害蟲(chóng)在北美得到了有效控制。然而，由于WCR在田間種群中產(chǎn)生抗性，這些蛋白遇到了藥效降低的情況。由于有用的Bt衍生殺蟲(chóng)蛋白的發(fā)現愈加困難，當務(wù)之急是從非Bt生物中尋找具有高活性和新作用模式/位點(diǎn)的新型蛋白。

Nature communications發(fā)表的那篇文章，作者首先通過(guò)WCR 幼蟲(chóng)的人工飼料生物活性篩選，并通過(guò)多步純化過(guò)程從蒙氏假單胞菌中分離得到Mpf2Ba1。Mpf2Ba1 是一種 53.2 kDa 的蛋白質(zhì)，表現出對WCR較好的殺蟲(chóng)效果。緊接著(zhù)作者解析了 Mpf2Ba1 X 射線(xiàn)結構，并展示了 N 末端殘基如何抑制可溶形式單體的締合。

然后，作者證明了腸液存在下的蛋白水解作用會(huì )激活單體自組裝成前孔，并通過(guò)冷凍電鏡以 3.1 ? 分辨率重建了前孔。單體和前孔亞基之間微妙但顯著(zhù)的變化揭示了與靶標識別和激活/寡聚化相關(guān)的分子機制。熱誘導的前孔向孔的轉變使我們能夠以 2.6 ? 分辨率解析 21 聚體孔冷凍電鏡結構，顯示孔亞基的顯著(zhù)構象變化及其 HTH 介導的亞基間穩定性。

綜上，作者鑒定并表征了非 Bt 殺蟲(chóng)蛋白 Mpf2Ba1，并解析了其如何通過(guò)在中腸膜上形成孔來(lái)有效殺死毀滅性玉米害蟲(chóng) WCR 的分子機制，該孔的結合位點(diǎn)與目前商業(yè)轉基因玉米雜交種中使用的殺蟲(chóng)蛋白不同。以受 Mpf2Ba1 保護的玉米為食的 WCR 幼蟲(chóng)攝入由植物根組織表達的 Mpf2Ba1 單體?？扇苄詥误w到達幼蟲(chóng)中腸，并在與靶細胞上尚未識別的受體 (Rc) 結合之前/同時(shí)被腸道蛋白酶激活，并寡聚成前孔。前孔轉變?yōu)椴豢赡娴目缒た?，使離子流不受控制地穿過(guò)質(zhì)膜，破壞細胞功能并導致幼蟲(chóng)餓死。