ATP结合盒转运蛋白介导的杀虫剂抗性分子机制研究进展：从基因调控到结构功能解析

这篇综述系统总结了ATP结合盒（ABC）转运蛋白介导昆虫抗药性的分子机制与研究进展。文章详细阐述了ABC转运蛋白在合成杀虫剂和Bt毒素抗性中的双重作用（上调表达介导合成杀虫剂外排，下调或突变导致Bt毒素结合能力改变），归纳了RNAi、CRISPR/Cas9等功能基因组学技术和AlphaFold等人工智能方法在ABC转运蛋白研究中的应用，为开发新型抗性治理策略提供了理论依据。

　　

ATP结合盒转运蛋白介导的杀虫剂抗性分子机制

1 引言

ATP结合盒（ABC）转运蛋白作为高度保守的跨膜蛋白超家族，广泛分布于真核和原核生物中。这类蛋白通过水解ATP提供的能量实现底物跨膜转运，其典型结构包含两个胞质核苷酸结合域（NBDs）和两个跨膜结构域（TMDs）。NBDs含有特征性的Walker A/B模体，通过ATP结合与水解驱动TMD构象变化完成转运。根据结构特征可分为全转运体（含双TMD-NBD）和半转运体（需形成二聚体）。自1974年在Escherichia coli中发现首个ABC转运蛋白以来，该家族在人类肿瘤多药耐药、昆虫抗药性等领域展现出重要生物学意义。

2 昆虫ABC转运蛋白研究方法

2.1 转录组与qPCR技术

RNA测序（RNA-seq）结合实时定量PCR（RT-qPCR）可系统分析ABC基因表达谱。全基因组关联分析（BSA）能直接定位抗性相关ABC基因位点，但需注意低丰度转录本检测的局限性。

2.2 荧光底物技术

Calcein、Hoechst 33342等荧光探针可动态监测转运活性。在Tribolium castaneum等物种中证实了抗性品系的底物外排能力增强，但难以区分单个转运蛋白效率。

2.3 体外表达系统

囊泡转运实验和UAS/GAL4果蝇转基因系统适用于功能验证。非洲爪蟾（Xenopus laevis）卵母细胞表达系统能特异性检测³H标记杀虫剂的转运效率。

2.4 RNAi与基因编辑

RNA干扰（RNAi）和CRISPR/Cas9技术已成功用于Plutella xylostella等鳞翅目昆虫的基因功能研究。CRISPR/Cas9在Bt抗性基因ABCC2验证中显示出显著优势。

2.5 生化方法

ATP酶活性检测可间接反映转运效率。抑制剂如维拉帕米（广谱）、MK-571（ABCC特异性）等能有效关联表型与功能。

2.6 结构生物学与AI

AlphaFold 3.0可预测ABC转运蛋白三维结构，结合分子对接（AutoDock Vina等）能解析杀虫剂结合位点。机器学习已应用于P-gp底物预测。

3 ABC转运蛋白介导的抗药性机制

3.1 合成杀虫剂抗性

ABC转运蛋白作为III相解毒酶，通过直接外排降低细胞内杀虫剂浓度。研究显示：

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  ABCB亚族（如P-gp）参与拟除虫菊酯、新烟碱类外排

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  ABCC成员与双酰胺类、大环内酯类抗性相关

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  ABCG半转运体影响啶虫脒、茚虫威等代谢

  值得注意的是，TcABCC-5V等单个转运体可介导苯甲酰脲类与有机磷类交叉抗性。

3.2 Bt毒素抗性

与合成杀虫剂相反，Bt抗性多由ABC转运蛋白表达下调或结构突变导致：

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  首例在Heliothis virescens中发现ABCC2移码突变丧失Cry1Ac结合能力

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  CRISPR敲除Bombyx mori ABCC2产生>3000倍Cry1Ab抗性

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  ABCB1呈现双向调控：下调导致Bt抗性，上调介导合成杀虫剂外排

4 表皮渗透性改变机制

ABC转运蛋白通过调控表皮碳氢化合物（CHCs）沉积影响杀虫剂渗透：

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  Culex pipiens中ABCG6032427下调导致表皮结构疏松

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  Anopheles coluzzii腿组织中ABCH2直接转运高效氯氰菊酯

  该机制为表皮特异性ABC转运体研究提供了新方向。

5 转录调控网络

5.1 信号通路调控

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  MAP4K4-FTZ-F1级联通过磷酸化调控P. xylostella中ABCC2/3表达

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  Bt毒素激活MAPK-POUM1通路上调ABCG1

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  CncC/Keap1通路正调控TcABCA等抗氧化相关转运体

5.2 转录因子作用

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  C2H2锌指蛋白CF2-II通过启动子结合抑制A. gossypii中ABCB5/MRP12

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  转座子插入导致MAP4K4组成型高表达是田间抗性品系特征

6 总结与展望

当前研究在单个ABC转运蛋白功能验证、底物转运效率定量等方面仍存在挑战。未来需整合冷冻电镜、单细胞测序等技术，深入解析转运蛋白-杀虫剂互作机制。针对ABC转运蛋白的双向调控特性，开发"分而治之"的抗性治理策略将具有重要意义。