大豆胞囊线虫效应蛋白几丁质酶HgChi1的晶体结构与抑制剂

Cyst nematode is one of the most destructive plant-parasitic nematodes. However, efficient nematicide is short for controlling cyst nematodes. The effectors secreted by a nematode are crucial for suppressing plant immunological defense during its infection to plants. Thus, inhibition of these effectors by chemical agents provides a new approach to control cyst nematodes. A recent study highlighted that cyst nematode chitinase Chi1 was a crucial effector. However, lack of the structural information as well as biochemical properties of Chi1 hinders the target-based design of novel nematicides. We have succeeded in obtaining a highly purified HgChi1, a Chi1 from the soybean cyst nematode. In this application, we propose to resolve the crystal structure of HgChi1, and explore potent inhibitors of HgChi1 by a strategy of structure-based virtual screening. The expected outcome is to obtain the first crystal structure of a chitinase effector derived from the plant-parasitic nematode, providing a core base for rational design of novel nematicides.

胞囊线虫是危害最严重的植物寄生线虫之一，但目前缺乏高效的防治药剂。胞囊线虫分泌的效应蛋白是其抑制植物免疫实现寄生的关键。通过设计小分子抑制这些效应蛋白的功能将为控制胞囊线虫的为害提供新思路。最新研究表明胞囊线虫几丁质酶Chi1是线虫分泌的效应蛋白，但Chi1结构和生化性质的缺失限制了以其为分子靶标的杀线虫剂的开发。申请人前期建立了大豆胞囊线虫几丁质酶HgChi1的重组表达和分离纯化方法，并获得了高纯度的酶。本项目申请拟在此基础上研究其生物化学性质，获得晶体结构，并基于结构筛选获得抑制剂小分子。预期成果将获得第一个植物寄生性线虫几丁质酶的晶体结构，并为新型杀线虫剂的设计提供核心基础。

植物寄生线虫感染造成的作物减产是世界性难题。然而目前杀线剂种类少，且部分杀线剂因环境风险或抗药性问题而面临停用，因此急需新型杀线剂。大豆胞囊线虫几丁质酶Chi1是大豆胞囊线虫抑制植物免疫实现寄生的关键效应蛋白质，可以作为杀线剂的靶标。然而Chi1的结构、底物和生理功能目前尚不清楚。. 项目针对大豆胞囊线虫几丁质酶Chi1，解析Chi1的晶体结构，研究Chi1与底物作用的分子机制，开发针对Chi1的小分子抑制剂。项目解析了首个大豆胞囊线虫几丁质酶Chi1的晶体结构，分辨率达到1.5 Å。与其他几丁质酶不同，Chi1具有由狭长的正位糖基结合位点和开放的负位糖基结合位点构成的“扫帚状”的催化口袋。底物谱分析发现，Chi1可以特异性的水解植物免疫调节分子几丁寡糖或脂肪酸修饰的几丁寡糖。我们解析了多个Chi1-底物复合物晶体结构，阐明了Chi1对几丁寡糖衍生物的特异性识别分子机制。我们使用模式线虫秀丽隐杆线虫建立了几丁质酶抑制剂的杀线虫活性评价模型，并解析了Chi1的秀丽隐杆线虫同源几丁质酶晶体结构。基于Chi1的晶体结构，我们采用分级虚拟筛选的方法发现了多种线虫几丁质酶抑制剂骨架。这些化合物对秀丽隐杆线虫和大豆胞囊线虫几丁质酶Chi1的最大抑制活性分别达到了0.18 和6.3 μM，一些化合物的杀线虫活性优于农用杀线虫剂氟噻虫砜。项目成果揭示了植物寄生线虫几丁质酶的结构特征及其在植物免疫调节过程中的可能功能，为绿色杀线虫剂创制提供了关键的靶标结构信息、小分子结构起点和优化依据。.