《Nature》重磅！我国科学家历时十五年阐明几丁质生物合成机制！

几丁质（俗称甲壳素）是由N-乙酰氨基葡萄糖构成的天然生物高分子，其生物对来自不同分类群的各种生物的生存和繁殖至关重要，例如危及生命的真菌，破坏农业的卵菌和害虫。由于几丁质并不存在植物和哺乳动物中，因此几丁质合成酶是一种高效、安全且生态友好的绿色农药分子靶标。其中，几丁质生物合成机制的关键反应涉及一种名为几丁质合成酶的催化，由于缺乏准确的几丁质合成酶的三维结构信息致使其结构-功能关系不明确，严重阻碍了该靶向酶的绿色农药设计。

针对此问题，来自中国农业科学院杨青教授团队和中国科学院龚勇研究员历时十五年攻克了这一难题，首次从原子水平上展示了多方向性、多步偶联的几丁质生物合成过程，并阐明了尼克霉素抑制几丁质生物合成的机制。相关研究成果以“Structural basis for directional chitin biosynthesis”为题于2022年9月21日发表在《Nature》上，同时这是我国农药研究领域首篇发表在《Nature》的论文。

1. PsChs1的体系结构

本研究选取了大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)的几丁质合成酶PsChs1为研究对象，作者通过冷冻电镜、扫描电镜、X射线衍射等生物学前沿技术解析了5个不同态下的几丁质合成酶的三维结构，PsChs1二聚体的结构显示在表面（a）和带状（b）表示中，膜的细胞外侧（顶视图）、膜平面内（侧视图）或细胞质侧（底视图），它们代表酶的apo、GlcNAc结合、新生几丁质寡聚体结合、UDP结合（合成后）和几丁质合酶抑制剂尼可霉素Z结合状态，为几丁质生物合成提供了多个步骤及其竞争性抑制的详细视图。这些结构揭示了几丁质合成反应室，它具有底物结合位点、催化中心和聚合物转运通道的入口，聚合物转运通道允许产物聚合物排出。

图1 PsChs1的三维结构

1. PsChs1的二聚化界面带状视图

在侧视图下，PsChs1二聚体类似于六角形的雪花（图1a-b）。两个PsChs1原体通过围绕垂直于膜的轴的两倍旋转而相互关联。PsChs1二聚体有一个大的相互作用界面，该界面由NTD和TM区域稳定（图2a）。二聚体PsChs1与供体底物或新生的几丁质低聚物复合的结构表明，每个原体独立但平行地起作用且酶活性与供体底物浓度的关系图与Michaelis-Menten方程非常吻合。

图2 PsChs1的二聚化界面带状视图

1. PsChs1与配体之间的相互作用

为了获得供体底物UDP-GlcNAc结合结构，作者将催化重要的残留物Glu495突变为丙氨酸，这允许酶将底物捕获在其底物结合位点（图3）。在apo结构中，它采用不同于UDP-bound和UDP/(GlcNAc)3-bound状态的构象，其羧基指向底物结合位点，这可能有助于供体底物在底物结合位点的识别和正确定位（图3b，e）。

之后，作者进一步获得了在每个PsChs1原体中与预易位(GlcNAc)3和 UDP结合的二聚体PsChs1的结构（图3c），可以反映了甲壳素生物合成过程中的糖基转移后状态。在UDP/(GlcNAc)3结合结构中，Mn2+与离去基团UDP的β-磷酸基团形成配位键（图3c），这与第一过渡金属和含氮或含氧化合物之间的配位键范围一致。这可能代表了不同几丁质生物合成状态（催化后和催化前）的不同二价离子结合模式，并证实金属离子在协助糖部分从供体底物转移到受体方面具有重要作用在几丁质合酶和其他糖基转移酶中。

此外，作者还发现在几丁质易位通道内发现了一个摆动环，它充当“门锁”，防止底物离开，同时将产物聚合物引导到转移通道以排放到细胞膜的细胞外侧。

图3 PsChs1与配体之间的相互作用

1. NikZ对PsChs1的抑制。

作者还解析了与NikZ复合的PsChs1的低温EM结构，其通过151.1 4.8 μM的抑制常(Ki)值竞争性抑制PsChs1活性（图4）。正如底物类似物所期望的那样，NikZ通过其尿苷部分以与UDP-GlcNAc相同的方式与尿苷结合管结合，从而阻断供体底物与该位置的结合。此外，NikZ的羟基吡啶部分占据了反应室的很大一部分以及易位通道的入口，从而进一步阻止了供体底物进入反应室进行甲壳素生物合成。

图4 NikZ对PsChs1的抑制

1. 几丁质生物合成模型

最后，作者将5个PsChs1结构和生化数据结合在一起，同时提出了一个几丁质生物合成模型，如图5所示：首先，几丁质合成酶将供体底物上的糖基转移到受体几丁质糖链上；新生成的几丁质糖链通过细胞膜上的“跨膜转运”通道释放到细胞外；最后，释放的几丁质链自发组装成几丁质纳米纤维。

图5 几丁质生物合成模型

综上，本研究首次揭示了几丁质合成的分子机制，是生物学领域和绿色农药设计领域的里程碑。该工作为靶向几丁质合酶的绿色农药开发设计提供了关键信息，具有重要的理论和应用价值，同时该工作受到了多位院士点评。总的来说，该工作首次从原子尺度揭示了由几丁质合成酶催化完成的一个多步骤的、定向的几丁质生物合成过程，解决了几丁质合成酶及其与底物、产物以及抑制剂结合的结构信息，阐明了几丁质生物合成的机制和抑制剂的作用机制。此研究成果具有里程碑的意义，标志着我国农药研发水平的高质量创新提升，也是近几十年来全球农药创新研究与开发的重要基础性进展之一。

文章来源：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05244-5

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