殺蟲蛋白 Mpf2Ba1，揭示了孔形成的關鍵分子機制

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

成孔蛋白 (PFP) 是一類主要的可溶性蛋白，它們寡聚成環并發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。由此產生的孔隙中不受控制的離子流入/流出會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 一直是轉基因抗蟲作物的基礎，近三十年被全球種植者使用。PFP提供的抗蟲性十分有效，并且具有環境和經濟效益。影響北美和歐洲玉米生產并導致重大產量損失的特別具有破壞性的害蟲之一是鞘翅目的西部玉米根蟲（WCR；Diabrotica virgifera virgifera）。自21世紀初以來，表達Cry3類Bt蛋白（mCry3Aa、Cry3Bb1和eCry3.1Ab）的轉基因玉米作物使得這種害蟲在北美得到了有效控制。然而，由于WCR在田間種群中產生抗性，這些蛋白遇到了藥效降低的情況。由于有用的Bt衍生殺蟲蛋白的發現愈加困難，當務之急是從非Bt生物中尋找具有高活性和新作用模式/位點的新型蛋白。

Nature communications發表的那篇文章，作者首先通過WCR 幼蟲的人工飼料生物活性篩選，并通過多步純化過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，表現出對WCR較好的殺蟲效果。緊接著作者解析了 Mpf2Ba1 X 射線結構，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激活單體自組裝成前孔，并通過冷凍電鏡以 3.1 ? 分辨率重建了前孔。單體和前孔亞基之間微妙但顯著的變化揭示了與靶標識別和激活/寡聚化相關的分子機制。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 殺蟲蛋白 Mpf2Ba1，并解析了其如何通過在中腸膜上形成孔來有效殺死毀滅性玉米害蟲 WCR 的分子機制，該孔的結合位點與目前商業轉基因玉米雜交種中使用的殺蟲蛋白不同。以受 Mpf2Ba1 保護的玉米為食的 WCR 幼蟲攝入由植物根組織表達的 Mpf2Ba1 單體。可溶性單體到達幼蟲中腸，并在與靶細胞上尚未識別的受體 (Rc) 結合之前/同時被腸道蛋白酶激活，并寡聚成前孔。前孔轉變為不可逆的跨膜孔，使離子流不受控制地穿過質膜，破壞細胞功能并導致幼蟲餓死。