Science | 基因组所王桂荣团队破解昆虫气味受体离子通道门控机制

　　

　　

深吸一口气，

涌入鼻腔的，

也许是雨后清晨花草的芬芳，

抑或是垃圾堆飘来的阵阵恶臭，

前者令人神清气爽，

后者令人捂鼻作呕，

气味，成为人们选择亲近或逃离的重要判断标准，

对于昆虫来说，则是它们赖以延续的生存法则。

在生物学家眼中，昆虫是如何感知气味的？又是如何做出行为反应的？成了研究昆虫化学生态学的重要课题。王桂荣和他的团队一直致力于昆虫嗅觉受体的功能鉴定，简单的来说，就是找到调控昆虫行为的气味分子，然而，气味分子成千上万，找到特定行为反应的关键受体无疑是大海捞针，历经十几年的研究，王桂荣和他的团队找到了一种高通量的方法，并成功筛选得到绿色高效的昆虫嗅觉行为调控剂。

北京时间2024年6月14日凌晨2时，国际顶级学术期刊《科学（Science）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业广东省实验室深圳分中心）王桂荣团队与华中农业大学殷平教授团队、中国农业科学院植物保护研究所等单位合作完成的最新研究成果：“Structural basis for odorant recognition of the insect odorant receptor OR-Orco heterocomplex（昆虫气味受体 OR-Orco 异聚体识别气味分子的结构基础）”，研究解析了豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）报警信息素受体ApOR5-Orco异源四聚体的冷冻电镜结构，揭示了气味配体诱导的气味受体离子通道门控机制，从而为针对气味受体的新型昆虫绿色行为调控剂的研发奠定了结构基础。

报警信息素：“快跑！这里有危险”

昆虫依赖灵敏的嗅觉感知环境中的化学信息。在嗅觉识别的过程中，气味受体（OR）扮演着核心角色，它们被激活后能够将外界的化学信号转化为生物电信号，从而介导昆虫相应的行为反应。

报警信息素受体就是其中的一种，研究发现，大多数蚜虫在遇天敌攻击或者其它危险时，会从腹管中释放出含有报警信息素（(E)-β-farnesene，简称EBF ) 的小液滴，“警告”邻近的蚜虫快速逃离或掉落。王桂荣团队在前期工作中，成功揭示了蚜虫识别报警信息素的新机制，并进一步阐明了报警信息素如何巧妙地调控天敌昆虫精准定位蚜虫的内在机制，为理解昆虫间的相互作用提供了新的视角。这些研究成果展示了EBF及其类似物作为昆虫行为调控剂的巨大潜力。

该研究借助前沿的冷冻电镜技术，深入探究豌豆蚜报警信息素受体ApOR5-Orco复合物的结构特性，成功解析了ApOR5-Orco在配体结合和未结合状态下的高分辨率冷冻电子显微镜结构。

气味分子介导的ApOR5-Orco异源四聚体离子通道门控机制

（A）豌豆蚜报警信息素受体ApOR5-Orco结合配体的冷冻电镜结构。

（B）ApOR5的配体结合位点。

（C）配体结合引起ApOR5-Orco离子通道的不对称孔开口的模式图。

研究发现，仅ApOR5亚基具有配体结合能力，而ApOrco亚基则作为支撑结构不结合配体。当ApOR5亚基与配体结合后，其成孔螺旋S7b从孔中央向外移动，导致不对称孔开口以供离子流入。

通过单分子荧光试验和细胞电生理试验，更全面地理解ApOR5-Orco复合物的动态组装和功能，揭示了异源四聚体亚基化学计量的分子基础。

该研究不仅首次展示了昆虫OR-Orco异源复合物在独立（封闭通道）和配体结合（开放通道）两种状态下的独特结构，而且深入揭示了昆虫气味识别通道门控的分子机制。

研制更高效的绿色农药

昆虫嗅觉行为调控剂的应用是全球公认的绿色防控技术，具有生物灵敏度高、选择性强、环境友好等优点，能实现害虫的长期控制。以嗅觉靶标为出发点，开发行为调控剂已成为当前研究的重要方向。

这一突破性的发现，为基于靶标结构的先导化合物筛选提供了宝贵的分子基础，为高效、特异性绿色昆虫行为调控剂的创制开辟了新的道路。同时，也为科学合理地开发蚜虫绿色防控技术提供了强有力的理论支撑和实践指导，具有重要的科学意义和实际应用价值。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所（简称“基因组所”）与华中农业大学联合培养博士后王意东、华中农业大学博士生邱靓和中国农科院植保所王冰研究员为论文共同第一作者，基因组所王桂荣研究员和华中农业大学殷平教授为共同通讯作者。华中农业大学马伟华教授、刘主教授、中国科学院武汉精密测量科学与技术创新研究院龚洲副研究员、中国农业大学张立伟副教授和华中师范大学曹松讲师等也参与了研究工作。华中农业大学校级蛋白质平台和电镜中心对该工作提供了支持。冷冻电镜数据收集在中国科学技术大学冷冻电镜中心完成，该中心高永翔博士为电镜数据收集提供了技术支持。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划项目、中国农业科学院农业科技创新工程等项目的资助。

专家点评

中国科学院院士、美国科学院外籍院士康乐：

昆虫依赖灵敏的嗅觉感知环境中的化学信息，在嗅觉识别的过程中，嗅觉受体神经膜上的气味受体扮演着核心角色，它们能够将外界的化学信号转化为生物电信号，介导昆虫相应的行为反应。与脊椎动物单个受体具有功能不同，绝大多数昆虫特异性受体和共受体形成OR-Orco复合物，共同介导昆虫取食、交配等重要行为反应。尽管昆虫气味受体被发现已有二十多年，但OR-Orco复合物的三维结构一直是个待解之谜。该项研究在国际上首次解析了昆虫OR-Orco复合体的精细结构特性，揭示了气味识别过程中特殊的离子通道门控机制。这一里程碑式的突破为基于结构生物学高通量筛选杀虫剂和驱避剂奠定了理论基础，将有力推动害虫绿色防控新产品研发进程，为实现安全、绿色、可持续的农业生产模式提供强有力的支撑。

中国工程院院士、贵州大学校长宋宝安：

创制靶向小分子绿色农药是国际前沿研究课题，也是国家重大战略需求。基于灵敏的嗅觉研发的害虫引诱剂和驱避剂是全球公认的绿色防控技术，嗅觉受体结构未知是研发高效引诱剂和驱避剂的卡点。该研究团队揭示了昆虫气味受体OR-Orco复合物的三维结构，深入剖析了气味受体与配体互作机制，是昆虫嗅觉编码机制研究领域的重大突破，为开发高效、绿色的行为调控剂奠定了理论基础，显著增强我国在昆虫行为调控剂研究领域的核心竞争力，有望催生一批绿色、高效的昆虫行为调控新产品。

欧洲科学院院士、中国科学院外籍院士Bill Hansson：

2004年，Linda Buck和Richard Axel因发现哺乳动物嗅觉受体而荣获诺贝尔奖。十年后，Leslie Vosshall及其他团队进一步揭示了昆虫气味受体的存在。随后，人们认识到这些昆虫气味受体需要与共受体结合，才能高效地发挥其功能。如今，深圳农业基因组研究所的王桂荣实验室与武汉华中农业大学的殷平教授团队在《科学》杂志上联合发表了一篇论文，详细阐述了如何通过OR-Orco复合物来识别气味分子。这篇具有开创性的论文的第一作者是王意东和邱靓等人。这一研究成果具有深远的意义，因为我们对嗅觉受体如何识别生物体内分子的机制仍不完全了解。此外，他们的研究聚焦于蚜虫这一重要的农业害虫，这些发现对农业害虫防控具有潜在的应用价值。我们衷心祝贺王桂荣和殷平团队所取得的成就，并期待他们未来能取得更大的成功。

“In 2004, Linda Buck and Richard Axel got the Nobel Prize for their discovery of mammalian olfactory receptors. Ten years later, Leslie Vosshall and other teams identified insect receptors. Shortly after, it was understood that insect receptors need to couple with co-receptor to function effectively. Now, a paper published in Science by the laboratory of Guirong Wang at the Agricultural Genomics Institute in Shenzhen and Yin Ping at Huazhong Agricultural University in Wuhan show how a molecule can be identified by OR-Orco complex. The first authors of this groundbreaking paper are Yidong Wang and Liang Qiu. This knowledge is significant, as we still do not fully understand how olfactory receptors identify molecules in any organism. Additionally, their study focused on aphids, a crucial agricultural pest, suggesting that this knowledge could be used to manage these insects in agriculture. Congratulations to the laboratories of Guirong Wang and Yin Ping on their achievement, and best wishes for continued success in the future.”

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6881