殺蟲蛋白 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 有活性的殺蟲蛋白 Mpf2Ba1，并對非 Bt 生物體的 PFP 進行了全面的結(jié)構(gòu)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(gòu)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/流出會造成嚴(yán)重的滲透失衡和毒性，最終導(dǎo)致細胞死亡。

蘇云金芽孢桿菌(Bt) 的 PFP 一直是轉(zhuǎn)基因抗蟲作物的基礎(chǔ)，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(huán)境和經(jīng)濟效益。影響北美和歐洲玉米生產(chǎn)并導(dǎo)致重大產(chǎn)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(jì)初以來，表達Cry3類Bt蛋白（mCry3Aa、Cry3Bb1和eCry3.1Ab）的轉(zhuǎn)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(chǎn)生抗性，這些蛋白遇到了藥效降低的情況。由于有用的Bt衍生殺蟲蛋白的發(fā)現(xiàn)愈加困難，當(dāng)務(wù)之急是從非Bt生物中尋找具有高活性和新作用模式/位點的新型蛋白。

Nature communications發(fā)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(zhì)，表現(xiàn)出對WCR較好的殺蟲效果。緊接著作者解析了 Mpf2Ba1 X 射線結(jié)構(gòu)，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(biāo)識別和激活/寡聚化相關(guān)的分子機制。熱誘導(dǎo)的前孔向孔的轉(zhuǎn)變使我們能夠以 2.6 ? 分辨率解析 21 聚體孔冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，顯示孔亞基的顯著構(gòu)象變化及其 HTH 介導(dǎo)的亞基間穩(wěn)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(jié)合位點與目前商業(yè)轉(zhuǎn)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(jié)合之前/同時被腸道蛋白酶激活，并寡聚成前孔。前孔轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡娴目缒た祝闺x子流不受控制地穿過質(zhì)膜，破壞細胞功能并導(dǎo)致幼蟲餓死。