蘇云金芽孢桿菌（Bt）能合成有效的殺蟲(chóng)蛋白，如產(chǎn)孢過(guò)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(chóng)蛋白（Vip），這些蛋白被分為三個(gè)不同的家族。目前研究證實(shí)，Vip3家族成員對(duì)鱗翅目昆蟲(chóng)具有廣譜活性，且它們針對(duì)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(chóng)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(chóng)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(gè)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(duì)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(xiàn)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(gè)假定的聚糖結(jié)合位點(diǎn)，其N(xiāo)-末端區(qū)域形成核心和頂點(diǎn)，而C-末端區(qū)域由三個(gè)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(gè)不同的結(jié)構(gòu)域組成。結(jié)構(gòu)域I從N端延伸到初級(jí)蛋白酶裂解位點(diǎn)，其中包含著四個(gè)長(zhǎng)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(kāi)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(gè)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(gè)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(duì)殼聚糖和幾丁質(zhì)有強(qiáng)烈的偏好性。

與此同時(shí)，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(shuō)，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(duì)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(duì)比后發(fā)現(xiàn)，蛋白酶的激活會(huì)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(xiàn)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(gè)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(dòng)，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(guò)來(lái)，α4的C端部分逆著α3移動(dòng)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(guò)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(duì)vip3Aa激活過(guò)程中觀(guān)察到的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，作者提出一個(gè)彈簧加載機(jī)制對(duì)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(chóng)攝入后會(huì)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(gè)延伸的四螺旋卷曲螺旋線(xiàn)圈針頭，其長(zhǎng)度足以到達(dá)并滲透脂質(zhì)雙層，在與昆蟲(chóng)膜上受體結(jié)合后通過(guò)在昆蟲(chóng)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(kāi)發(fā)更高效、更穩(wěn)定的殺蟲(chóng)蛋白奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。