導(dǎo)讀

2025年6月26日，北京大學(xué)雷曉光團隊與合作者在

Nature

2025年2月28日，雷曉光團隊與合作者在

S

cience

在自然界中，生物之間的相互作用是復(fù)雜而多樣的，涵蓋了物理、化學(xué)和生物等多個層面。昆蟲信息素（Insect Pheromone），作為昆蟲體內(nèi)各種腺體或細胞產(chǎn)生并分泌到體外的微量化學(xué)物質(zhì)，是昆蟲種內(nèi)和種間通訊的重要化學(xué)媒介，其在昆蟲的求偶、交配、覓食、聚集、產(chǎn)卵、導(dǎo)航定向、防御報警和種間識別等行為中發(fā)揮重要作用。因此，昆蟲信息素的開發(fā)與利用，是實現(xiàn)精準調(diào)控害蟲行為、推動害蟲綠色可持續(xù)防控發(fā)展的關(guān)鍵突破方向。而鑒定和合成昆蟲信息素是實現(xiàn)這種綠色防控策略的必要環(huán)節(jié)。盡管已有超過3000種昆蟲的信息素被發(fā)現(xiàn)和鑒定，但是全面揭示一個特定的信息素在昆蟲體內(nèi)的生物合成途徑鮮見報道，其原因是昆蟲信息素的生物合成研究極具挑戰(zhàn)性，很多情況下缺少有效的研究手段，例如：很難開展昆蟲體內(nèi)的遺傳學(xué)實驗，很難有效地利用化學(xué)分離手段來鑒定微量的信息素分子等。

北京時間2025年6月26日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然（Nature）》在線發(fā)表了北京大學(xué)雷曉光團隊與中國科學(xué)院動物研究所康樂團隊合作完成的最新研究成果“Decoding 4-vinylanisole biosynthesis and pivotal enzymes in locusts”（解碼蝗蟲體內(nèi)4-乙烯基苯甲醚生物合成與關(guān)鍵催化反應(yīng)酶）。該研究首次解析了蝗蟲群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）的完整生物合成途徑，成功鑒定出 4VA 的前體化合物以及關(guān)鍵合成酶 4VPMT1 和 4VPMT2，基于酶-底物構(gòu)效關(guān)系的深度解析，研究團隊通過設(shè)計和篩選開發(fā)出特異性小分子抑制劑，成功實現(xiàn)了對蝗蟲群聚信息素4VA 生物合成與釋放過程的精準化學(xué)調(diào)控，進而完成了對其群聚行為的人工定向干預(yù)。該研究不僅深入揭示了蝗蟲群聚信息素生物合成的分子機制，更在理論與技術(shù)層面為研發(fā)基于信息素調(diào)控的害蟲精準防控策略奠定了堅實科學(xué)基礎(chǔ)，為農(nóng)業(yè)害蟲綠色防控體系的構(gòu)建開辟了全新路徑。

蝗蟲群聚信息素是蝗蟲群聚進而形成蝗災(zāi)的重要因素之一。康樂研究團隊長期開展蝗蟲信息素研究，于2020年首次報道了4-乙烯基苯甲醚（4VA）是飛蝗的聚集信息素（Nature 2020）。然而，到目前為止，4VA的生物合成通路與密度依賴的釋放機制仍然未知。雷曉光團隊長期開展天然產(chǎn)物生物合成研究與生物催化研究，近期在相關(guān)領(lǐng)域中做出了多項開拓性研究成果（Nature Chemistry 2020; Nature Catalysis 2021; Science 2024; Accounts of Chemical Research 2024）。為了確定 4VA 的合成通路，康樂團隊與雷曉光團隊合作，首先確定了 4VA 的合成底物是來源于植物的苯丙氨酸。隨后預(yù)測了兩條4VA的合成通路。通過飼喂或注射穩(wěn)定同位素標記的候選中間體，最終確定了飛蝗中 4VA 合成通路是：苯丙氨酸（Phe）-肉桂酸（CA）-對羥基肉桂酸（p-HCA）-4-乙烯基苯酚（4VP）最后到 4VA。Phe-CA-p-HCA 的轉(zhuǎn)化在腸道中完成，p-HCA 出腸道隨血淋巴擴散并轉(zhuǎn)化為 4VP，最終合成 4VA 釋放到體外。此外，蝗蟲可以直接從植物中快速獲取 Phe、CA和p-HCA（木質(zhì)素合成關(guān)鍵化合物），只需重點完成最后 4VP 和 4VA 的轉(zhuǎn)化即可（圖1）。

　　圖1. 蝗蟲群聚信息素4VA的生物合成通路

由于散居蝗蟲不產(chǎn)生 4VA，那么哪些中間體化合物導(dǎo)致了僅有群居蝗蟲能產(chǎn)生 4VA 呢？研究發(fā)現(xiàn) Phe、CA、p-HCA 和 4VP 均可在群居蝗蟲和散居蝗蟲的不同組織中檢測到。對散居蝗蟲飼喂或注射氘代前體均不能產(chǎn)生氘代 4VA，表明群居型和散居型飛蝗 4VA合成差異的關(guān)鍵在于 4VP到 4VA的合成過程。研究證明從 4VP 到 4VA 是由甲基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的甲基化反應(yīng)。通過體內(nèi)干擾以及體外酶活檢測，發(fā)現(xiàn)兩個關(guān)鍵甲基轉(zhuǎn)移酶 4VPMT1 和 4VPMT2 控制蝗蟲體內(nèi) 4VP 到 4VA 的轉(zhuǎn)化。4VPMT1 和 4VPMT2 的 mRNA 水平和蛋白水平能夠正向響應(yīng)蝗蟲種群密度的變化。將4VPMT1 和 4VPMT2 聯(lián)合 RNAi 干擾后，4VA 的釋放量顯著下降，群居蝗蟲也表現(xiàn)出向散居行為的顯著轉(zhuǎn)變。這些結(jié)果表明，4VPMTs 是 4VA 生物合成的分子開關(guān)，他們的表達和翻譯受種群密度的激發(fā)。

為了進一步揭示其催化功能，研究團隊解析了 4VPMT2-4VP-SAM 三元復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。對結(jié)合構(gòu)象分析以及定點突變實驗驗證發(fā)現(xiàn) 4VP 與 4VPMT2 中的芳香族氨基酸殘基 H137 形成了 Pi-Pi 相互作用。通過對 4VPMT1 的結(jié)構(gòu)進行建模、分子對接、動力學(xué)模擬以及定點突變實驗發(fā)現(xiàn) 4VP 的結(jié)合被一些疏水殘基 V278 和 M203 所穩(wěn)定。同時 Y61 與 4VP 的苯酚基形成氫鍵作用。此外 4VP 與 4VPMT1 中的芳香族氨基酸殘基 W174 之間形成了 Pi-Pi 相互作用，表明 W174 對 4VPMT1 的高活性起到了關(guān)鍵作用（圖2）。

知道了 4VA 的前體化合物、關(guān)鍵合成酶以及結(jié)合位點，研究團隊設(shè)計、預(yù)測并篩選到了幾十個可以抑制 4VPMTs 酶促甲基化能力的小分子化合物。其中4-硝基苯酚（4NP）在體外能夠以極低的濃度下對 4VPMT1 和 4VPMT2 起到抑制效果。此外與 4VP 相比，4NP 對 4VPMT1 的 KM 值更低，具有更高的結(jié)合親和力，使其成為一種抑制 4VA 產(chǎn)生的最有效底物。

　　圖2. 關(guān)鍵甲基轉(zhuǎn)移酶的結(jié)構(gòu)解析與小分子抑制劑開發(fā)

為了研究 4NP 在體內(nèi)對 4VPMTs 的抑制作用，在群居飛蝗體內(nèi)注射了不同濃度的 4NP。結(jié)果表明在注射濃度 0.1 nmol時，4NP 能夠顯著抑制 4VA 的產(chǎn)生。此外，對群居飛蝗飼喂噴灑有4NP的麥苗后，4VA 的釋放量顯著下降，同時群居飛蝗的行為顯著向散居行為轉(zhuǎn)變。同樣，飼喂4NP后，群聚化處理的散居飛蝗的 4VA 釋放量顯著下降，同時群聚化處理的散居飛蝗仍表現(xiàn)出散居行為，而對照組則表現(xiàn)出顯著的群居行為。因此，基于 4VA 前體結(jié)構(gòu)以及與合成酶構(gòu)效關(guān)系設(shè)計的 4-硝基苯酚（4NP）能有效地抑制飛蝗的群聚行為（圖3）。

　　圖3. 小分子抑制劑4-硝基苯酚顯著抑制蝗蟲的群聚行為

蝗蟲利用植物中最常見的氨基酸來合成自己特異的群聚信息素，這是一個非常精巧和節(jié)省能量的適應(yīng)策略。鑒于苯丙氨酸向肉桂酸繼而向?qū)αu基肉桂酸的轉(zhuǎn)化過程是植物木質(zhì)素生物合成中的保守途徑，蝗蟲能夠快速獲取大量生物合成前體以促進后續(xù)轉(zhuǎn)化。借助這些植物源中間體，蝗蟲僅需兩步反應(yīng)即可將其轉(zhuǎn)化為群聚信息素 4VA。同時，群居型飛蝗通過精準調(diào)控 4VPMTs 的表達，即可完成 4VP 到 4VA 的生物轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)信息素的釋放和終止。4VPMTs 介導(dǎo)的甲基化將 4VP 的羥基轉(zhuǎn)化為 4VA 的甲氧基，不僅能降低分子親水性，還能增強揮發(fā)性。這些適應(yīng)性機制顯著降低了蝗蟲的能量與物質(zhì)消耗，極大提高了群聚信息素 4VA 的合成效率，同時顯著增強了其應(yīng)對環(huán)境變化的靈活性與適應(yīng)性。

4VPMTs 是4VA生物合成的關(guān)鍵酶，也是抑制蝗蟲聚集的重要靶點。作為底物類似物，4NP 酚羥基的親核性因吸電子硝基的存在而顯著降低，使其成為反應(yīng)活性較弱的底物。值得注意的是，4NP 與 4VPMTs 的結(jié)合親和力高于 4VP，從而能競爭性占據(jù)酶活性位點。從蛋白結(jié)構(gòu)特征來看，4NP 與 4VPMTs 的特異性相互作用既保證了抑制劑的選擇性，又能最大限度避免干擾其他代謝通路時產(chǎn)生的脫靶效應(yīng)。

該研究通過系統(tǒng)性解析蝗蟲群聚信息素 4VA 的生物合成路徑，精準鑒定關(guān)鍵合成酶，并以此為靶點設(shè)計出高效特異的小分子抑制劑，成功實現(xiàn)了對蝗蟲信息素合成的靶向化學(xué)調(diào)控及群聚行為的人工干預(yù)。這一成果不僅深度揭示了昆蟲化學(xué)通訊的分子機制，更創(chuàng)新性地為害蟲防控提供了全新策略—-—通過干預(yù)昆蟲信息素通路實現(xiàn)行為調(diào)控，而非依賴傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥。其成果將有力推動害蟲防控模式的革命性轉(zhuǎn)變—-—從過度依賴化學(xué)殺蟲劑的傳統(tǒng)模式，向精準化、綠色化的行為調(diào)控模式躍遷，為農(nóng)業(yè)害蟲綜合治理體系的革新奠定了堅實的理論根基與技術(shù)支撐，有望在保障糧食安全、守護生態(tài)環(huán)境與人類健康領(lǐng)域發(fā)揮深遠影響（圖4）。

　　圖4. 蝗蟲群聚信息素4VA的生物合成解碼與操控

中國科學(xué)院動物研究所郭曉嬌、北京大學(xué)高磊（現(xiàn)為武漢大學(xué)教授）、中國科學(xué)院動物研究所李世煒為論文的共同第一作者，中國科學(xué)院動物研究所康樂與北京大學(xué)雷曉光為共同通訊作者。中國科學(xué)院動物研究所、北京大學(xué)與河北大學(xué)的多位研究生為本研究做出了重要貢獻。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃，中國科學(xué)院國際合作項目，北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心，北京分子科學(xué)國家研究中心，新基石基金會等的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09110-y

來源：北京大學(xué)