深度解析Vip3Aa的分子結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制（2020.8.9 Plant Biotechnology Journal）

蘇云金芽孢桿菌（Bt）能合成有效的殺蟲蛋白，如產(chǎn)孢過程中分泌的Cry毒素已被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。除此之外，Bt也可分泌大量的植物性殺蟲蛋白（Vip），這些蛋白被分為三個不同的家族。目前研究證實(shí)，Vip3家族成員對鱗翅目昆蟲具有廣譜活性，且它們針對的結(jié)合位點(diǎn)不同于Cry蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，因此被認(rèn)為是Bt殺蟲毒素的優(yōu)質(zhì)補(bǔ)充。Vip3蛋白是一種非活性狀態(tài)的原毒素，需要先被昆蟲腸道中的蛋白酶激活才能發(fā)揮功能即觸發(fā)細(xì)胞死亡。盡管Vip3家族的第一個成員早在20多年前就已被發(fā)現(xiàn)，且編碼Vip3蛋白的基因已被引入植物中用于創(chuàng)制Bt作物，但人們對其在分子水平上的三維結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制仍知之甚少。

2020年8月7日，Nature Communications雜志在線發(fā)表了瑪格麗塔·薩拉斯生物學(xué)研究中心的題為“Molecular architecture and activation of the insecticidal protein Vip3Aa from Bacillus thuringiensis”的研究論文，成功解析了Vip3Aa在分子水平上的三維結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)制。

在這項(xiàng)研究中，作者首先揭示了Vip3Aa原蛋白的分子結(jié)構(gòu)，Vip3原蛋白自發(fā)組裝成高度穩(wěn)定的、金字塔形結(jié)構(gòu)的四聚體，其中包含三個假定的聚糖結(jié)合位點(diǎn)，其N-末端區(qū)域形成核心和頂點(diǎn)，而C-末端區(qū)域由三個球狀結(jié)構(gòu)域組成且暴露在溶劑中。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Vip3Aa由五個不同的結(jié)構(gòu)域組成。結(jié)構(gòu)域I從N端延伸到初級蛋白酶裂解位點(diǎn)，其中包含著四個長的、高度彎曲的α-螺旋（α1–α4）;結(jié)構(gòu)域II（殘基200–325）在裂解位點(diǎn)之后立即開始，該位點(diǎn)位于連接螺旋α4和α5的完全暴露的環(huán)中;結(jié)構(gòu)域III（殘基328-532）與Cry內(nèi)毒素非常相似，包含三個反平行的β-片形成的β-棱鏡折疊，可與該蛋白的最N端片段（殘基14-23）相互作用并與四聚體的核心結(jié)合;最后的兩個結(jié)構(gòu)域具有相似的CBM（碳水化合物結(jié)合模塊）折疊，它們對殼聚糖和幾丁質(zhì)有強(qiáng)烈的偏好性。

與此同時，作者比較兩種不同的非活性Vip3變體即Vip3A和Vip3B的分子結(jié)構(gòu)，分析表明這兩種蛋白質(zhì)具有相似的四聚體結(jié)構(gòu)。更精確地說，結(jié)構(gòu)域I、II和III展現(xiàn)出顯著的結(jié)構(gòu)相似性。

作者對原毒素和經(jīng)蛋白酶處理后毒素的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)對比后發(fā)現(xiàn)，蛋白酶的激活會引發(fā)原毒素產(chǎn)生劇烈的分子重組，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)域I上產(chǎn)生巨大的構(gòu)象變化，進(jìn)而導(dǎo)致了N端四螺旋螺旋線圈的形成和Vip3Aa蛋白的活化。究其觸發(fā)構(gòu)象改變的根本原因，是隨著蛋白酶環(huán)的斷裂，結(jié)構(gòu)域I中的兩個相鄰螺旋體（α4和α5）重新配置。α5的N-末端區(qū)域向鄰近單體移動，破壞了螺旋體α3和α1和α2之間的環(huán)之間的疏水相互作用網(wǎng)絡(luò)，反過來，α4的C端部分逆著α3移動施加壓力以進(jìn)一步促進(jìn)構(gòu)象變化。值得注意的是，盡管α4的N端部分在蛋白質(zhì)活化過程中旋轉(zhuǎn)，但其C端部分仍然牢固地附著在結(jié)構(gòu)域II上，結(jié)構(gòu)域II在蛋白質(zhì)構(gòu)象變化期間充當(dāng)錨定點(diǎn)并提供穩(wěn)定的框架。

針對vip3Aa激活過程中觀察到的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，作者提出一個彈簧加載機(jī)制對其進(jìn)行解釋。首先，vip3Aa被分泌并自發(fā)組裝成四聚體原蛋白，經(jīng)昆蟲攝入后會被其中腸激酶消化處理并出現(xiàn)巨大的構(gòu)象變化，即vip3Aa蛋白金字塔型四聚體的頂端被重塑成一個延伸的四螺旋卷曲螺旋線圈針頭，其長度足以到達(dá)并滲透脂質(zhì)雙層，在與昆蟲膜上受體結(jié)合后通過在昆蟲細(xì)胞膜中形成孔隙觸發(fā)了細(xì)胞死亡。

綜上所述，這項(xiàng)研究揭示了Vip3的分子結(jié)構(gòu)及其激活機(jī)制，結(jié)構(gòu)信息和結(jié)構(gòu)域邊界的精確定義有助于生成具有修飾靶特異性的嵌合體，為指導(dǎo)開發(fā)更高效、更穩(wěn)定的殺蟲蛋白奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。