我校對殺菌劑作用靶標(biāo)結(jié)構(gòu)的研究取得新進(jìn)展
國際微生物學(xué)權(quán)威期刊PLOS Pathogens在線發(fā)表了我校殺菌劑生物學(xué)團(tuán)隊周明國和張峰教授為通訊作者、周俞辛博士研究生為第一作者的最新研究成果《Structural basis of Fusariummyosin I inhibition byphenamacril》。這是南京農(nóng)業(yè)大學(xué)殺菌劑生物學(xué)團(tuán)隊在獲得2018年國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎成果的基礎(chǔ)上取得的又一新進(jìn)展。 我校殺菌劑生物學(xué)團(tuán)隊參與江蘇省農(nóng)藥研究所自主創(chuàng)制的鐮刀菌專化性殺菌劑氰烯菌酯,代表了人類追求安全、高效的選擇性殺菌劑發(fā)展方向,并采用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù),團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了氰烯菌酯的作用靶標(biāo)肌球蛋白-5(I型),這也是殺菌劑發(fā)展史上繼發(fā)現(xiàn)酶蛋白和骨架蛋白后,國際上發(fā)現(xiàn)的第三類馬達(dá)蛋白首個殺菌劑新靶標(biāo),并指出肌球蛋白的遺傳分化是其抑制劑的選擇性基礎(chǔ),同時研發(fā)了小麥赤霉病和水稻惡苗病高效、安全防控及抗藥性治理系列新技術(shù)。 揭示殺菌劑作用靶標(biāo)蛋白結(jié)構(gòu)及其與小分子化合物親和互作的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征,是發(fā)展顛覆性靶向殺菌劑的重要前提。殺菌劑生物學(xué)團(tuán)隊張峰教授利用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法,在解析了茉莉酸誘導(dǎo)植物抗病性的受體蛋白JAZ通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換控制植物免疫與脫敏反應(yīng)的機(jī)制基礎(chǔ)上(Nature, 2015; PNAS, 2017),參與并指導(dǎo)研究生開展了氰烯菌酯與其作用靶標(biāo)肌球蛋白-5的復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)研究,首次獲得小麥赤霉病菌肌球蛋白分辨率為2.65 Å的晶體結(jié)構(gòu)(PDBID:6UI4),揭示了植物病原絲狀真菌肌球蛋白與其抑制劑的互作特征。研究發(fā)現(xiàn)氰烯菌酯結(jié)合在肌球蛋白馬達(dá)結(jié)構(gòu)域一個新的變構(gòu)腔中,該位點與哺乳動物肌球蛋白抑制劑Blebbistatin結(jié)合在II型肌球蛋白馬達(dá)結(jié)構(gòu)域疏水口袋的位置非常接近,表明氰烯菌酯與Blebbistatin可能存在相同的氨基酸結(jié)合位點。 研究揭示了氰烯菌酯抑制肌球蛋白ATP酶活性的分子機(jī)制。氰烯菌酯結(jié)合的變構(gòu)腔頂部也是與肌動蛋白(F-actin)結(jié)合的裂隙,在肌球蛋白的ATP酶循環(huán)中,該裂隙會特征性地閉合和開啟以介導(dǎo)與肌動蛋白的結(jié)合,釋放Pi和ADP,完成ATP酶循環(huán)。晶體結(jié)構(gòu)清楚的顯示了小分子氰烯菌酯占據(jù)了該裂隙關(guān)閉的空間位置,與Switch II 的Y409位點互作阻止了Switch II loop結(jié)構(gòu)從開放裂隙向關(guān)閉裂隙的轉(zhuǎn)變,阻斷了Pi的釋放和肌動蛋白的動力沖程,從而干擾了肌球蛋白ATP酶的循環(huán)過程,抑制了蛋白的馬達(dá)作用。基于三維結(jié)構(gòu),研究還發(fā)現(xiàn)了新的與氰烯菌酯結(jié)合的氨基酸位點,并證明其中重要的氨基酸位點M375在不同真菌中的遺傳分化決定了肌球蛋白對氰烯菌酯的敏感性,氰烯菌酯對禾谷鐮刀菌M375K突變體肌球蛋白-5 的ATP酶活性抑制作用大幅降低,而將對氰烯菌酯不敏感的稻瘟菌肌球蛋白-5突變?yōu)镵375M后,氰烯菌酯則能強(qiáng)烈抑制該稻瘟菌突變體的肌球蛋白ATP酶活性,同時稻瘟菌K375M突變體對氰烯菌酯變?yōu)楦叨让舾小L岢隽酸槍∏虻鞍譑375設(shè)計對稻瘟病菌等具有高活性的新型廣譜肌球蛋白抑制劑的可能性。 團(tuán)隊的以上創(chuàng)新性研究為肌球蛋白抑制劑的創(chuàng)制發(fā)展奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。該研究解析的殺菌劑與靶標(biāo)復(fù)合物晶體三維結(jié)構(gòu)是首個直接針對病原物研究的科學(xué)探索成功案例,對于推動農(nóng)業(yè)有害生物的農(nóng)藥受體結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究和靶向農(nóng)藥創(chuàng)制具有引領(lǐng)性作用。
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
2021-02-01