昆蟲海藻糖酶及其抑制劑研究進(jìn)展

朱本全，杜馨

（湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北武漢 430068）

1 海藻糖對昆蟲的重要性

1.1 在昆蟲生長發(fā)育過程中的作用

海藻糖，又叫酵母糖、蕈糖，是由兩分子葡萄糖通過α,α-1,1-糖苷鍵連接而形成的一種非還原性二糖，既是一種貯藏性碳水化合物，也是應(yīng)激代謝的重要產(chǎn)物。海藻糖作為昆蟲的血糖，在昆蟲生長發(fā)育和滯育發(fā)育方面發(fā)揮重要的作用。滯育是昆蟲受到不利于其生長的環(huán)境而出現(xiàn)的生長發(fā)育或生殖暫時(shí)中止的生理現(xiàn)象。在滯育前期和滯育解除過程中，昆蟲通過特異性地積累或轉(zhuǎn)化體內(nèi)脂類、碳水化合物和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，以提高存活率并保障解除后發(fā)育的能量需求[1]。海藻糖的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，能夠在細(xì)胞表面形成保護(hù)膜維持其生物分子構(gòu)型，增強(qiáng)昆蟲抗逆性。海藻糖在寒冷條件下可以轉(zhuǎn)化成甘油、山梨醇等能夠提高昆蟲抗寒性的多元醇，幫助昆蟲度過寒冷、干旱等環(huán)境惡劣的生存時(shí)期，維持物種的延續(xù)。

1.2 海藻糖合成分解途徑

目前已知的海藻糖合成途徑有5種：TREP途徑、TRET途徑、TS途徑、TPS/TPP途徑以及TREY/TREZ途徑。研究最深入的是TPS/TPP途徑，即尿苷二磷酸葡萄糖與6-磷酸葡萄糖在6-磷酸海藻糖合成酶（TPS）催化下生成6-磷酸海藻糖，再進(jìn)一步在6-磷酸海藻糖磷酸酯酶催化下去磷酸化，最終生成海藻糖的途徑，這是昆蟲體內(nèi)海藻糖合成的最主要途徑。昆蟲體內(nèi)的海藻糖不能被一般的酶水解，海藻糖酶是昆蟲體內(nèi)唯一一種能分解海藻糖的酶[2]。海藻糖酶又稱海藻糖水解酶，是一種能夠?qū)⒁环肿雍Ｔ逄欠纸獬蓛煞肿悠咸烟堑奶禺愋悦?，分解產(chǎn)生的葡萄糖經(jīng)過糖酵解途徑生成丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)，并最終氧化形成水和二氧化碳，這個最普遍的降解過程能夠?yàn)槔ハx的飛行和生長發(fā)育提供能量。在發(fā)育的特殊時(shí)期，昆蟲體內(nèi)的海藻糖會一直保持在一個較高水平[3]。

2 海藻糖酶的分類及作用機(jī)制

2.1 海藻糖酶的分類

海藻糖酶由海藻糖基因編碼，以兩種不同類型存在于昆蟲的大部分全身組織中。一種是可溶型海藻糖酶TRE1，另一種是膜結(jié)合型海藻糖酶TRE2。TRE1和TRE2分別調(diào)控不同位置的海藻糖酶活性，且海藻糖酶的活性多以可溶型海藻糖酶TRE1為主。

2.2 海藻糖代謝調(diào)控幾丁質(zhì)合成

幾丁質(zhì)又稱甲殼素，是昆蟲表皮外骨骼、腸道周圍營養(yǎng)基質(zhì)以及氣管結(jié)構(gòu)的重要組成成分。昆蟲在發(fā)育過程中需要經(jīng)歷蛻皮過程，昆蟲幼蟲每生長到一定階段就要蛻掉舊的表皮，形成新表皮，幾丁質(zhì)在這個過程中扮演著重要的角色。部分昆蟲在經(jīng)歷變態(tài)發(fā)育過程中會發(fā)生幾丁質(zhì)的降解。針對幾丁質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物合成途徑、降解過程進(jìn)行藥物處理可以導(dǎo)致昆蟲無法形成新的幾丁質(zhì)表皮、蛻皮畸形、翅形發(fā)育畸形、氣管發(fā)育畸形甚至直接致死，以達(dá)到影響害蟲發(fā)育過程、控制害蟲數(shù)量和殺滅害蟲目的。

海藻糖循環(huán)路徑位于幾丁質(zhì)合成路徑的起始端，TPS/TPP通過該路徑進(jìn)行海藻糖的合成，TRE分解海藻糖，為幾丁質(zhì)的合成提供原料。研究發(fā)現(xiàn)海藻糖的合成與分解都對幾丁質(zhì)的合成有重要的調(diào)控作用[4]。通過破壞幾丁質(zhì)的供給平衡，對整個途徑產(chǎn)生影響，并最終體現(xiàn)在對昆蟲發(fā)育的影響上。

2.3 作為潛在新型靶標(biāo)的可行性

從目前的研究來看，海藻糖酶最早在曲霉屬中被檢測到，隨后在細(xì)菌、真菌、低等動物和無脊椎動物和植物體內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)其存在。昆蟲等低等動物可以在體內(nèi)合成存儲海藻糖，而脊椎動物尚未發(fā)現(xiàn)有任何一例能在體內(nèi)合成儲存海藻糖的報(bào)道。在已錄入的脊椎動物基因庫中也未發(fā)現(xiàn)海藻糖合成的相關(guān)基因。因此以海藻糖酶為靶標(biāo)可利用其對人畜安全的選擇毒性[5]。

3 海藻糖酶抑制劑的研究現(xiàn)狀

3.1 已有抑制劑

目前抑制機(jī)制研究得較清楚的有海藻唑啉（Trehazolin）、有效霉素A和B（ValidoxylamineA、B）、2R,5R-二羥甲基、3R,4R-二羥基吡咯（DMDP）、salbostatin、井岡霉素（Validamvcin）等。這些抑制劑能夠與海藻糖酶上的活性位點(diǎn)結(jié)合，或作為競爭性抑制劑與海藻糖爭奪結(jié)合位點(diǎn)，從而抑制海藻糖酶的活性，影響昆蟲體內(nèi)幾丁質(zhì)的代謝過程，導(dǎo)致昆蟲在發(fā)育時(shí)期蛻皮困難而死亡，無法生長為成蟲[6]。但這類抑制劑缺點(diǎn)比較明顯，雖然在離體實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了很高的活性，但其活體效果較差，尚未有有效的改進(jìn)產(chǎn)品面世[7]。如何保證抑制劑的離體活性是亟待解決的問題之一。

3.2 其他抑制手段

化學(xué)修飾可以改變酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)，包括主鏈結(jié)構(gòu)和側(cè)鏈基團(tuán)等。在氨基酸側(cè)鏈外部有很多功能基團(tuán)，這些功能基團(tuán)的位點(diǎn)通常都是酶的重要活性位點(diǎn)，對酶的活性有重要作用。專一性的化學(xué)修飾劑與可溶型海藻糖酶蛋白中特定側(cè)鏈功能基團(tuán)結(jié)合，可以導(dǎo)致海藻糖酶活性降低甚至完全失活[8]。通過了解這些海藻糖酶活性位點(diǎn)的氨基殘基數(shù)量和性質(zhì)，可以推測海藻糖酶的空間構(gòu)象、活性位點(diǎn)等，再針對其特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的藥物。

針對幾丁質(zhì)途徑的RNA靶向干擾技術(shù)[9]對TRE1、TRE2和TPS進(jìn)行干擾，阻礙幾丁質(zhì)通路從而導(dǎo)致蟲體的畸形和死亡也是一種有效的技術(shù)手段。干擾TRE后，海藻糖的分解路徑受阻，不僅幾丁質(zhì)的合成被抑制，同時(shí)也會干擾幾丁質(zhì)的分解過程，使得昆蟲因?yàn)閹锥≠|(zhì)含量減少而出現(xiàn)蛻皮困難等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，綠色殺蟲劑的發(fā)展是大勢所趨。海藻糖酶作為昆蟲生長發(fā)育過程中最為重要的調(diào)節(jié)酶之一，其合成途徑的阻斷、降解過程的促進(jìn)以及生物活性的抑制是許多研究人員的研究重點(diǎn)。如果能夠有效抑制海藻糖酶的活體活性，將對害蟲綠色生物防治、提高農(nóng)作物質(zhì)量產(chǎn)量做出巨大貢獻(xiàn)。