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《科学》:王桂荣/殷平团队联手破解昆虫气味受体离子通道门控机制

已有 704 次阅读 2024-6-14 08:05 |系统分类:博客资讯


北京时间2024年6月14日,中国农业科学院深圳农业基因组研究所(简称“基因组所”)、华中农业大学、中国农业科学院植物保护研究所等单位联合在《科学》上在线发表了题为“Structural basis for odorant recognition of the insect odorant receptor OR-Orco heterocomplex”的研究论文。


该研究解析了豌豆蚜Acyrthosiphon pisum报警信息素受体ApOR5-Orco异源四聚体的冷冻电镜结构,揭示了气味配体诱导的气味受体离子通道门控机制,从而为针对气味受体的新型昆虫绿色行为调控剂的研发奠定了结构基础。


基因组所与华中农业大学联合培养博士后王意东、华中农业大学博士生邱靓和中国农科院植保所王冰研究员为论文共同第一作者,基因组所研究员王桂荣和华中农业大学教授殷平为共同通讯作者。

昆虫嗅觉行为调控剂的应用是全球公认的绿色防控技术,具有生物灵敏度高、选择性强、环境友好等优点,能实现害虫的长期控制。以嗅觉靶标为出发点,开发行为调控剂已成为当前研究的重要方向。然而,利用传统化学生态学手段筛选化合物的通量不高、组分活性低、结构不稳定等问题突出。其中,分子靶标的结构基础是限制新型昆虫行为调控剂研发的卡点。

新翅类昆虫作为最庞大的昆虫类群,其嗅觉系统核心由独特的OR-Orco异聚体组成,展现出对配体化学信息物质高度敏感性和特异性,是非常理想的昆虫嗅觉行为调控剂分子靶标。然而,长期以来,OR-Orco异聚体的结构基础仍然未知。

该研究团队在前期工作中,成功揭示了蚜虫通过气味受体ApOR5-Orco特异性地识别报警信息素——反-β-法尼烯(EBF)的精确分子机制,并进一步阐明了EBF如何巧妙地调控天敌昆虫精准定位蚜虫的内在机制,为理解昆虫间的相互作用提供了新的视角。这些研究成果展示了EBF及其类似物作为昆虫行为调控剂的巨大潜力。

该研究借助前沿的冷冻电镜技术,深入探究豌豆蚜报警信息素受体ApOR5-Orco复合物的结构特性,成功解析了ApOR5-Orco在配体结合和未结合状态下的高分辨率冷冻电子显微镜结构。

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气味分子介导的ApOR5-Orco异源四聚体离子通道门控机制。中国农科院供图

研究发现,仅ApOR5亚基具有配体结合能力,而ApOrco亚基则作为支撑结构不结合配体。当ApOR5亚基与配体结合后,其成孔螺旋S7b从孔中央向外移动,导致不对称孔开口以供离子流入。

通过单分子荧光试验和细胞电生理试验,更全面地理解ApOR5-Orco复合物的动态组装和功能,揭示了异源四聚体亚基化学计量的分子基础。

该研究不仅首次展示了昆虫OR-Orco异源复合物在独立(封闭通道)和配体结合(开放通道)两种状态下的独特结构,而且深入揭示了昆虫气味识别通道门控的分子机制。

中国科学院院士、河北大学校长康乐指出,昆虫依赖灵敏的嗅觉感知环境中的化学信息,在嗅觉识别的过程中,嗅觉受体神经膜上的气味受体扮演着核心角色,它们能够将外界的化学信号转化为生物电信号,介导昆虫相应的行为反应。与脊椎动物单个受体具有功能不同,绝大多数昆虫特异性受体和共受体形成OR-Orco复合物,共同介导昆虫取食、交配等重要行为反应。尽管昆虫气味受体被发现已有二十多年,但OR-Orco复合物的三维结构一直是个待解之谜。该项研究在国际上首次解析了昆虫OR-Orco复合体的精细结构特性,揭示了气味识别过程中特殊的离子通道门控机制。这一里程碑式的突破为基于结构生物学高通量筛选杀虫剂和驱避剂奠定了理论基础,将有力推动害虫绿色防控新产品研发进程,为实现安全、绿色、可持续的农业生产模式提供强有力的支撑。

中国工程院院士、贵州大学校长宋宝安指出,创制靶向小分子绿色农药是国际前沿研究课题,也是国家重大战略需求。基于灵敏的嗅觉研发的害虫引诱剂和驱避剂是全球公认的绿色防控技术,嗅觉受体结构未知是研发高效引诱剂和驱避剂的卡点。该研究团队揭示了昆虫气味受体OR-Orco复合物的三维结构,深入剖析了气味受体与配体互作机制,是昆虫嗅觉编码机制研究领域的重大突破,为开发高效、绿色的行为调控剂奠定了理论基础,显著增强我国在昆虫行为调控剂研究领域的核心竞争力,有望催生一批绿色、高效的昆虫行为调控新产品。

中国科学院外籍院士、德国马克斯·普朗克学会化学生态学研究所研究员Bill Hansson指出,这篇论文详细阐述了如何通过OR-Orco复合物来识别气味分子。这是一篇具有开创性的论文。这一研究成果具有深远的意义,因为我们对嗅觉受体如何识别生物体内分子的机制仍不完全了解。此外,他们的研究聚焦于蚜虫这一重要的农业害虫,这些发现对农业害虫防控具有潜在的应用价值。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划项目、中国农业科学院农业科技创新工程等项目的资助。

相关论文信息:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6881

编辑 |余 荷

排版| 王大雪

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