两个点突变致昆虫非特异性羧酸酯酶性质改变

羧酸酯酶普遍存在于动物、植物和细菌中，是一个具有多种生理功能的基因家族，如水解神经递质、代谢某些激素和信息素、降解内外源毒素及参与防御反应等。在昆虫界，羧酸酯酶是昆虫抵御包括杀虫剂在内的外源化合物的重要物质之一，在常用的有机磷和氨基甲酸酯抗性中起着重要的作用，可以使昆虫产生代谢抗性和靶标抗性。非特异性羧酸酯酶通过两种方式使昆虫对有机磷杀虫剂产生代谢抗性，一种是数量机制，即通过羧酸酯酶在基因组上扩增或转录水平的上调而过量表达酯酶，酯酶快速与杀虫剂分子结合，但是水解速度非常缓慢，所以羧酸酯酶主要起屏蔽作用。另一种是质量机制，即羧酸酯酶的表达水平不变，但酶的性质发生了变化，酶原有的羧酸酯酶活性降低或丧失，而水解有机磷杀虫剂的速率大大提高。这种变化的分子机制是羧酸酯酶在两个位置发生了点突变，即G151D突变和W271L突变。目前这个抗性机制的研究大部分仅局限于高等双翅目昆虫中。这种羧酸酯酶突变导致的抗药性在其它昆虫中是否是一种普遍的进化机制？G151D和W271L突变是否能使昆虫羧酸酯酶的性质普遍得到改变？中科院动物研究所乔传令研究员和康乐研究员团队开展合作研究，利用体外定点突变技术，对七种昆虫包括重要农作物害虫棉蚜、褐飞虱、赤拟谷盗、斜纹夜蛾，异色瓢虫、家蚕、蜜蜂的非特异性羧酸酯酶基因进行位点特异性突变，通过构建融合表达载体和亲合层析高效表达、纯化酯酶蛋白，测定酯酶突变体对酯酶底物β-乙酸萘酯和有机磷杀虫剂对氧磷、毒虫畏的降解活性。结果表明，G/A151D和W271L突变分别显著的降低了五种和七种昆虫的羧酸酯酶原有的活性，分别使五种和六种昆虫的羧酸酯酶获得有机磷水解酶的活性，W271L突变对酶的影响力更大，证明了昆虫通过羧酸酯酶发生点突变获得抗药性的进化途径具有普遍性。该研究成果不仅为预测、治理害虫抗药性的发生、发展提供理论依据，还为利用基因操作技术培育抗药天敌开辟新思路，而且还可利用改造后的昆虫羧酸酯酶处理环境中的农药残留，实现对环境的安全生物修复。研究成果2011年发表在昆虫学Top5%杂志《昆虫生物化学与分子生物学》（Insect Biochemistry and Molecular Biology）上。（来源：中科院动物研究所）