东亚飞蝗AChE1的结构测定及其与特异性底物作用的分子基础

乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase，AChE)具有催化神经递质乙酰胆碱降解、保证神经信号正常传递的重要作用。研究表明，AChE1在许多昆虫体内主要发挥胆碱能作用，是有机磷及氨基甲酸酯类杀虫剂的作用靶标。但是，AChE1晶体结构至今仍不清楚，成为制约其构效关系研究和新型杀虫剂研发的瓶颈。本项目拟在前期克隆和表达重要农业害虫东亚飞蝗AChE1基础上，采用气相扩散法分别制备AChE1及其与底物类似物的晶体，收集晶体X射线衍射图谱，采用分子置换法构建晶体结构模型，明确AChE1活性中心、底物结合位点、疏水性结合区的空间结构；以AChE1-底物类似物晶体结构为基础，采用分子动力学方法模拟AChE1与特异性底物作用的动态过程，阐明AChE1对底物的选择机制。本研究不仅有助于阐明东亚飞蝗AChE1的结构功能关系，而且将为其他昆虫AChE1的功能研究以及新型杀虫剂的设计奠定坚实的基础。

东亚飞蝗Ⅰ型乙酰胆碱酯酶（Loucusta migratoria manilensis Acetylcholinesterase 1, LmAChE1）在东亚飞蝗体内主要发挥胆碱能作用，是有机磷及氨基甲酸酯类杀虫剂的作用靶标。本项目拟在前期基因克隆、蛋白表达与酶学特性研究基础上，制备LmAChE1蛋白晶体，收集其X射线衍射图谱，解析其三维结构，阐明LmAChE1对底物的选择机制。.一方面，我们在前期研究工作基础上，重新活化与诱导装载有LmAChE1基因的工程菌株，从菌液中纯化与浓缩目的蛋白，采用气相扩散法筛选与优化蛋白结晶条件。目前已将所得到的高纯浓缩蛋白用于结晶条件筛选与优化，获得了蛋白质结晶的基本条件，但晶体不够结实，仍需进一步优化结晶条件以获得质量更高的蛋白质晶体。.另一方面，我们根据序列比对结果，采用同源模建法，选择人乙酰胆碱酯酶（PDB: 4ey4, 2.16Å）为模板，构建了LmAChE1的三维结构，用Procheck、Verify_3D和QMEAN程序评估了模型的合理性；采用分子对接软件研究了底物类似物硫代乙酰胆碱（acetylthiocholine, ATC）、硫代丙酰胆碱（propionylthiocholine, PTC）、硫代丁酰胆碱（butyrylthiocholine, BTC）与LmAChE1的作用模式。结果表明：（1）ATC、PTC、BTC的季胺阳离子均正对LmAChE1 Trp36的吲哚环，并与之产生cation-π相互作用；（2）ATC、PTC、BTC的硫酯基均位于LmAChE1 的Ser151和His391之间，且羰基氧与His391咪唑环N-H形成氢键；（3）ATC和PTC在LmAChE1催化腔中的构象较为舒展，而BTC的构象则稍显扭曲。.在缺乏晶体结构时，尝试以同源性较高的蛋白质晶体结构为模板，用同源模建法构建出合理的蛋白质三维结构模型，进而研究该模型与底物类似物之间的相互作用，有助于从理论上预见底物在LmAChE1催化谷中的取向及其相互作用，初步揭示LmAChE1对底物的选择机制。当然，这些理论研究的结果仍需等到从实验中获得并解析出LmAChE1蛋白晶体结构时，才能得到检验或印证。