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几丁质是自然界中含量最丰富的氨基多糖，是一种由 N-乙酰氨基葡萄糖 (GlcNAc) 单元组成的细胞外聚合物。
几丁质的生物合成对于来自不同分类群的各种生物的生存和繁殖至关重要，例如威胁生命的真菌、破坏农业的卵菌和害虫。因此，它为发现抗真菌剂或杀虫剂提供了首选目标。其合成的关键反应由几丁质合成酶催化，这是一种膜整合的糖基转移酶，可将 GlcNAc 从 UDP-GlcNAc 转移到生长的几丁质链。然而，这一过程的确切机制尚未阐明。2022年9月21日，中国农业科学院杨青和中国科学院龚勇共同通讯在Nature杂志在线发表题为“Structural basis for directional chitin biosynthesis”的研究论文，该研究报告了来自破坏性大豆根腐病病原卵菌大豆疫霉 (PsChs1) 的几丁质合酶的五种冷冻电子显微镜结构。它们代表酶的 apo GlcNAc 结合、新生几丁质寡聚体结合、UDP 结合（合成后）和几丁质合酶抑制剂尼可霉素 Z (nikkomycin Z, NikZ) 的结合状态，提供了几丁质生物合成的多个步骤及其竞争性抑制的详细视图。总之，该工作揭示了几丁质生物合成的定向多步骤机制，为抑制几丁质合成提供了结构基础。几丁质生物合成机制的核心是一种完整的膜酶，称为几丁质合酶 (chitin synthase, CHS)。CHS 属于糖基转移酶家族 2 (glycosyltransferase family 2 , GT2)，这是一个包含纤维素、藻酸盐和透明质酸合酶的大酶家族。几丁质合成涉及三个主要步骤：1) 通过面向细胞质侧的酶的催化结构域，将 GlcNAc 从 UDP-GlcNAc（供体底物）持续添加到新生几丁质链（受体底物）的末端 C4-羟基；CHS 控制该过程的前两个步骤，但也可能参与原纤维的形成。尽管跨膜螺旋的数量和各个胞质结构域的组织不同，但来自不同物种的 CHS 共享一个保守的催化结构域，从而允许开发具有广谱活性的竞争性抑制剂。由于植物和哺乳动物中不存在几丁质，因此 CHS 可能是目前用于控制真菌病原体和害虫的 30 种杀虫和杀真菌目标中最安全的目标之一。靶向 CHS 的杀菌剂包括尼可霉素 Z (NikZ)，它由嘧啶-核苷肽骨架组成，是目前处于 II 期临床试验的第一代广谱 CHS 抑制剂。P. sojae 是一种导致大豆 (Glycine max L.) 根茎腐烂的病原体，每年造成超过 10 亿美元的经济损失。大豆几丁质合成酶 PsChs1 的敲除会损害菌丝体生长、孢子囊产生和游动孢子释放，从而大大降低大豆的毒力。PsChs1 既是优秀的抗真菌靶标，又是 CHS 研究的模型系统。在这项研究中，研究人员报告了 PsChs1 的五个冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 结构（图1），这些结构揭示了几丁质合成反应室，它具有底物结合位点、催化中心和聚合物转运通道的入口，聚合物转运通道允许产物聚合物排出。这种过程反映了几丁质生物合成中从 UDP-GlcNAc 结合和聚合物延伸到产品释放的连续关键事件。图1. PsChs1 二聚体的结构（图源自Nature）研究人员在几丁质转运通道内发现了一个摆动环，它充当“门锁”，防止底物离开，同时将产物聚合物引导到转运通道以排放到细胞膜的细胞外侧。不仅如此，还发现几丁质生物合成是在没有游离 GlcNAc 的情况下开始的，这表明生物合成不需要游离 GlcNAc，并且在没有游离 GlcNAc 的情况下第一个与活性位点结合的分子是UDP-GlcNAc。这些结果共同表明 GlcNAc 是几丁质生物合成初始步骤的受体。总的来说，该工作整合了五个 PsChs1 结构和生化数据，提出了几丁质生物合成的模型（图2）。这不仅提供了在原子水平上对几丁质生物合成的机械理解，而且为合理设计 CHS 靶向抑制剂提供了结构基础。华东师范大学校长钱旭红指出，该研究突破了几丁质农药领域一个近50年的发展瓶颈，为人类数十年以来未能实现的生态环境友好农药的梦想提供了实现的舞台：基于几丁质合成酶的结构精准设计绿色农药。此研究成果标志着中国农药研发水平提升到了基础理论原始创新的高度。该工作也是全球农药创新研究与开发近几十年来最重要的基础性进展之一。中国农科院植物保护研究所为论文的第一完成单位。中国农科院植物保护研究所陈威、北京工业大学曹鹏和大连理工大学刘元盛为本文共同第一作者。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05244-5
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