昆虫辅助活性10家族裂解性多糖单加氧酶的生物学功能

The recently discovered auxiliary activities family 10 (AA10) with lytic polysaccharide monooxygenase activity can break the chitin chain by oxidation. It challenges the classical model that chitin is solely degraded by carbohydrate hydrolase. The genes of AA10 are also identified from insect. However, their activities and functions during the degradation of chitin are still undefined. We have established the methods for studying the functions of AA10 genes during the development of insect and successfully expressed the recombinant protein of AA10. Through the molecular biology, biochemistry and structure biology methods, this proposal will study the biological significance of AA10 during the molting of insect, the synergism between AA10 and chitinases during crystalized chitin degradation and the crystal structure of AA10 to expound the function of AA10 during insect chitin degradation. We expect to exploit the understanding of insect chitin degradation, to offer the theoretical basis for rational utilization of chitin resources and to provide theoretical direction for pest-control based on chitin metabolism.

辅助活性10家族（AA10）具有裂解性多糖单加氧酶的活性，能够通过氧化的方式断裂几丁质，其发现挑战了几丁质的降解是通过糖基水解酶实现的传统模型。昆虫中也存在AA10家族基因，但其活性及在几丁质降解过程中的作用尚不明确。申请人前期建立了昆虫AA10基因生理功能的研究方法并实现了AA10催化结构域的重组表达。本项目将利用分子生物学、生物化学、结构生物学等手段，从AA10在昆虫蜕皮过程中的生理功能，与几丁质酶的协同作用及晶体结构多个角度阐明昆虫AA10家族在昆虫几丁质降解过程中的作用。预期成果将拓展人们对昆虫几丁质降解过程的认识，为合理利用几丁质资源提供理论基础，为基于几丁质代谢过程的有害昆虫的管理与控制提供指导。

近期在昆虫中发现的一类新的酶——裂解性多糖单加氧酶（LPMO），能够通过氧化的方式断裂几丁质。其发现挑战了昆虫几丁质的降解是仅需要糖基水解酶的传统模型。但对其活性及在几丁质降解过程中的作用缺乏深入认识。本项目首先通过多组学的大数据分析，揭示了昆虫裂解性多糖单加氧酶LPMO15由多基因编码，并根据进化关系可以分为四个亚家族。其次，通过RNAi干扰以及电子显微镜等研究手段，以东亚飞蝗为研究对象，阐明了I家族LmLPMO15-1参与表皮几丁质降解，III家族LmLPMO15-3参与中肠围食膜中几丁质降解的重要生理功能。再次，利用酵母表达系统，成功实现了亚洲玉米螟OfLPMO15-1的催化域以及全长蛋白的重组表达及分离纯化，揭示其通过C1位氧化，破坏几丁质致密的结构，与几丁质酶协同作用，极大的提高几丁质降解效率的作用机制。最后，项目组对OfLPMO15-1进行了结构生物学研究，尽管进行了蛋白质结晶尚未拿到晶体结构，但通过alphafold成功模拟了OfLPMO15-1的晶体结构，并结合小杜衣鱼中的III家族LPMO15的晶体结构，揭示其催化机制以及与底物的相互作用。相关工作进一步完善了人们对于昆虫几丁质降解体系的认识，将为基于昆虫裂解性多糖单加氧酶为靶标的农药开发提供重要的前期工作基础。