《科学》杂志发表华中农业大学合作研究成果:揭示虫味受体离子通道门控机制

2024-06-16

6月14日，深圳农业基因组研究所(岭南现代农业广东省实验室深圳分中心)华中农业大学与中国农业科学院合作、在国际学术期刊《科学》中，中国农业科学院植物保护研究所等单位（Science）这本杂志在网上发表了题为“Structural basis for odorant recognition of the insect odorant receptor OR-Orco heterocomplex"研究论文。

这项研究分析了扁豆蚜Acyrthosiphon Pisum报警信息素受体ApOR5-Orco异源四聚体冷冻电镜结构，暴露了气味受体离子通道门控机制，这是由气味受体诱导的，进而为新型虫类绿色行为调节剂的研发奠定了结构基础。

昆虫嗅觉行为调节剂的应用是世界公认的绿色防控技术。它具有生物敏感性高、选择性强、环境友好等优点，可以实现害虫的长期控制。开发行为调控剂已经成为当前研究的一个重要方向，其目标是嗅觉目标。但是，利用传统的化学生物学方法来选择化合物，其通量不高，成分活性低，结构不稳定等问题十分突出。在这些卡点中，分子目标的结构前提是限制新型虫类行为调控剂的研制。

作为最大的昆虫群体，新翅类昆虫的嗅觉系统核心由独特的OR-Orco异聚体组成，表现出对配体化学信息物质的高度敏感和特异性，是昆虫嗅觉行为调节剂的理想分子目标。但是，长期以来，OR-Orco异聚体的结构基础仍然未知。研究小组的早期工作揭示了芽虫通过味道受体ApOR5-Orco特异性识别报警信息素--β-法尼烯（EBF）精确分子机制。EBF对天敌昆虫精确定位芽虫的内在机制进行了巧妙的调控，为了理解它们之间的相互作用提供了新的视角。

对扁豆蚜报警信息素受体ApOR5-Orco复合物的结构特征进行了深入探讨，成功分析了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。发现只有ApOR5亚基具有配体结合能力，而ApOrco亚基则不结合配体作为支撑结构。进一步观察发现，当ApOR5亚基与配体结合时，其成孔螺旋S7b从孔中心向外移动，导致离子流入不对称孔开口。ApOR5-Orco复合物的动态组装和功能通过单分子莹光试验和细胞电生理试验得到了更全面的了解，揭示了异源四聚体亚基化学计量的分子基础。

图1. ApOR5-Orco异源四聚体离子通道门控机制，味道分子介导。（A）ApOR5-Orco结合扁豆蚜报警信息素受体冷冻电镜结构。（B）配体结合位点ApOR5。（C）ApOR5-Orco离子通道的配体组合不对称孔开口模式图。

这项研究不仅首次展示了独立(封闭通道)和配体结合(开放通道)两种状态下昆虫OR-Orco异源复合物的独特结构，而且深入揭示了昆虫味道识别通道门控的分子机制。这一突破性发现为基于目标结构的先导化合物选择提供了宝贵的分子基础，为高效、特定的绿色虫行为调节剂的开发开辟了新的道路，也为芽虫绿色防控技术的科学合理开发提供了强有力的理论支持和实践指导，具有重要的科学意义和实际应用价值。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所(以下简称“基因组研究所”)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、中国农业科学院植保研究所王冰研究员为共同第一作者，基因组研究员王桂荣和华中农业大学殷平教授为共同通信作者。马伟华教授、刘主教授、中国科学院武汉精密测量科学与技术创新研究院龚洲副研究员、中国农业大学副教授张立伟、华中师范大学讲师曹松也参与了研究。在这项工作中，华中农业大学级蛋白质平台和电镜中心提供了支持。中国科技大学冷冻电镜中心完成了冷冻电镜数据采集，该中心高永翔博士为电镜数据采集提供技术支持。

文章链接(点击左下角阅读原文可跳转)：

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

文 | 王意东邱靓

编辑 | 匡敏

校对 | 蒋朝常徐行晏华华

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