UGT35B1是成年黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中负责尼古丁糖基化反应的主要酶

《Insect Biochemistry and Molecular Biology》：UGT35B1 is the principal enzyme mediating nicotine glycosylation in adult Drosophila melanogaster

果蝇通过UDP-葡萄糖基转移酶介导的糖基化代谢尼古丁，生成N-糖苷，并发现UGT35B1是关键酶，影响对氟噻虫酰胺的解毒，但对吡虫啉无效，揭示了昆虫中未characterized的糖基化途径。

　　

卢克·J·范恩斯蒂尔（Luke J. Pfannenstiel）| 雷切尔·H·诺里斯（Rachel H. Norris）| 托比亚斯·齐姆克（Tobias Ziemke）| 克里斯托夫·杜普莱（Christophe Duplais）| 尼古拉斯·布雄（Nicolas Buchon）| 杰弗里·G·斯科特（Jeffrey G. Scott）

美国纽约州伊萨卡市康奈尔大学康斯托克大厅（Comstock Hall）昆虫学系

摘要

尼古丁是一种源自植物的吡啶生物碱，具有强烈的神经毒性。哺乳动物体内尼古丁的主要解毒途径是通过葡萄糖醛酸化作用生成尼古丁-N-葡萄糖醛酸酯，但昆虫体内的这一过程目前仍知之甚少。利用质谱技术，我们发现黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）通过糖基化作用来解毒尼古丁，生成尼古丁-N-糖苷。鉴于许多新型农用化学品含有吡啶环结构，我们还研究了氟虫酰胺（flonicamid）和吡虫啉（imidacloprid）的代谢过程。我们检测到了氟虫酰胺的糖基化现象，但未发现吡虫啉的糖基化痕迹。通过对21种UDP-糖基转移酶（UGTs）进行靶向RNA干扰（RNAi）筛选，发现UGT35B1基因对尼古丁暴露后的生存至关重要。CRISPR技术敲除UGT35B1后，果蝇对尼古丁和氟虫酰胺的敏感性增加，但对吡虫啉及另一种结构不同的新烟碱类杀虫剂噻虫胺（thiamethoxam）的敏感性未见变化。质谱分析证实UGT35B1确实能催化尼古丁及其代谢物可替宁（cotinine）和氟虫酰胺的糖基化反应。这些发现表明UGT35B1是黑腹果蝇体内尼古丁解毒的关键酶，揭示了一种此前未被充分研究的昆虫糖基化途径，这一途径可能对植食性、杀虫剂代谢及毒理学具有重要意义。

引言

昆虫与尼古丁之间的相互作用长期以来一直备受关注，这不仅是因为尼古丁具有强烈的杀虫作用和药理活性（McIndoo, 1916; Yamamoto, 1999），还因为它存在于重要的农业作物烟草及其他茄科植物中，这些植物是多种昆虫的寄主（McKinlay et al., 1992）。除了其生态学意义外，尼古丁还能通过与烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）结合发挥作用，这与新烟碱类杀虫剂的作用机制相同（Jeschke and Nauen, 2008）。然而，尽管尼古丁在昆虫毒理学中起着重要作用，但其具体的代谢途径尚未完全阐明。

在哺乳动物体内，尼古丁的代谢主要通过三条途径进行：通过UDP-糖基转移酶（UGTs）进行N-葡萄糖醛酸化；通过细胞色素P450（CYPs）进行5’-氧化生成可替宁；以及通过黄素单加氧酶进行N’-氧化。这些生物转化过程提高了尼古丁的溶解度，从而促进其清除（Murphy, 2021; Yildiz, 2004）。多项研究已经探讨了不同昆虫物种中尼古丁的代谢情况，通常发现可替宁或尼古丁-N-氧化物是其主要代谢产物（Bass et al., 2013; du Rand et al., 2017; Saremba et al., 2018; Self et al., 1964; Snyder et al., 1994; Wink and Theile, 2002）。尽管早期在Manduca sexta中的研究表明尼古丁的代谢产物为“水溶性化合物”，但UGT介导的糖基化作用在昆虫代谢研究中的关注度较低（Morris, 1983）。此外，近年来开发出的许多农用化学品含有吡啶环结构（Zakharychev and Martsynkevich, 2025），这表明UGT在这些化合物的代谢中也可能发挥作用。

UGT基因家族在昆虫中具有保守性，其功能双重：一方面将活性糖类与参与生长发育和生理过程的内源性底物结合（如激素、脂质），另一方面将外源性分子转化为无毒形式（Ahn et al., 2012; Kinareikina and Silivanova, 2024; Scott, 2025）。虽然哺乳动物的UGT主要使用葡萄糖醛酸作为糖供体（Meech et al., 2019），但昆虫通常利用UDP-葡萄糖来解毒内源性化合物（包括植物毒素），生成糖苷而非葡萄糖醛酸酯（Ahmad and Forgash, 1976; Ahn et al., 2011; Krempl et al., 2016; Robert et al., 2017; Ziemke et al., 2024）。因此，如果昆虫通过糖基化途径解毒尼古丁，预期产生的代谢物应为尼古丁-N-糖苷。然而，这一反应是否在体内真正发生，以及具体由哪些UGT参与其中，目前仍是一个未解之谜。

在本研究中，我们重点探讨了黑腹果蝇体内尼古丁的代谢过程，特别是UGT介导的糖基化作用。通过遗传学、分子生物学和分析技术，我们明确了糖基化在尼古丁代谢中的作用。研究表明黑腹果蝇通过UGT35B1酶催化糖基化反应来解毒尼古丁。这项研究揭示了昆虫如何利用UGT抵御植物吡啶生物碱及结构相似的杀虫剂，同时对杀虫剂毒理学和异生物质代谢的进化机制提供了新的见解。

研究方法

昆虫与化学物质

所有黑腹果蝇品系均在25°C、12小时光照/12小时黑暗的光周期条件下，培养于标准玉米粉琼脂培养基上。培养基的配方为：每升培养基含60克玉米粉、40克蔗糖、50克活性干酵母、7克琼脂、26.5毫升含甲基对羟基苯甲酸的乙醇溶液（Moldex），以及12毫升由丙酸和磷酸组成的酸混合物。果蝇被饲养在装有棉塞的塑料管或瓶子中，并保持在恒定温度的培养箱中。

黑腹果蝇能糖基化尼古丁、可替宁和氟虫酰胺，但不能糖基化吡虫啉

为研究黑腹果蝇对尼古丁的代谢机制，我们将野生型（Canton-S）果蝇暴露于尼古丁环境中，并分析了存活个体的全身组织及饲养容器。通过高效液相色谱-质谱联用技术（HPLC-HRMS），我们检测并定量了尼古丁及其主要P450介导的氧化代谢产物可替宁，以及它们的潜在糖基化产物。在暴露于尼古丁的果蝇中，我们发现尼古丁-N-糖苷是主要代谢物，同时还检测到了可替宁及其N-糖苷形式。

讨论

我们发现，暴露于尼古丁的黑腹果蝇体内积累了尼古丁-N-糖苷（cotinine-N-糖苷）和可替宁-N-糖苷，这表明UDP-糖基转移酶（UGTs）参与了尼古丁的代谢。同样，在暴露于可替宁的果蝇体内也检测到了可替宁的糖基化形式。通过对黑腹果蝇中大部分UGT基因的靶向RNA干扰筛选，发现UGT35B1基因的敲低显著增加了果蝇对尼古丁的敏感性。CRISPR技术敲除UGT35B1后，果蝇对尼古丁的毒性也有所增加。

作者贡献声明

卢克·J·范恩斯蒂尔（Luke J. Pfannenstiel）：数据可视化、验证、实验设计、方法论研究、数据分析、概念构建。杰弗里·G·斯科特（Jeffrey G. Scott）：文章撰写与审稿、初稿撰写、实验设计、资源协调、项目管理、方法论研究、资金申请、数据分析、概念构建。托比亚斯·齐姆克（Tobias Ziemke）：文章撰写与审稿、初稿撰写、方法论研究、数据分析。雷切尔·H·诺里斯（Rachel H. Norris）：文章撰写

未引用文献

Medana et al., 2016.

致谢

我们感谢格雷戈里·洛布（Gregory Loeb）教授对本文的宝贵意见，以及丹尼尔·科尔多瓦（Daniel Cordova）博士在氟虫酰胺生物测定方面的宝贵讨论。本研究得到了美国农业部/国家食品与农业局（USDA/NIFA, 项目编号12898432，资助对象JGS和NB）、美国国立卫生研究院（NIH, 项目编号R01AI148529和R01AI148541，资助对象NB）以及美国国家科学基金会（NSF, 项目编号IOS 2024252，资助对象NB）的资助。