[科普中國(guó)]-昆蟲(chóng)解毒酶

解毒機(jī)理

人類(lèi)對(duì)害蟲(chóng)的化學(xué)防治，使害蟲(chóng)產(chǎn)生適者生存現(xiàn)象，最終導(dǎo)致抗性的產(chǎn)生。通常殺蟲(chóng)劑被分為4類(lèi)：有機(jī)氯類(lèi)，有機(jī)磷類(lèi)，擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)和氨基甲酸類(lèi)。有機(jī)氯類(lèi)和擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)農(nóng)藥主要通過(guò)改變軸突膜的離子通道通透性，影響膜的電位差，阻斷軸突傳導(dǎo)來(lái)達(dá)到除蟲(chóng)目的。有機(jī)磷類(lèi)和氨基甲酸類(lèi)農(nóng)藥則主要通過(guò)抑制昆蟲(chóng)乙酰膽堿酯酶的活性來(lái)實(shí)現(xiàn)除蟲(chóng)作用。環(huán)二烯類(lèi)殺蟲(chóng)劑的作用位點(diǎn)是GABA受體。昆蟲(chóng)則主要通過(guò)降低表皮和神經(jīng)膜穿透作用（行為抗性），降低靶標(biāo)部分的敏感性（靶標(biāo)抗性）和增強(qiáng)自身對(duì)農(nóng)藥的代謝能力（代謝抗性）這三種途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥的抗性。昆蟲(chóng)的解毒酶是一類(lèi)異質(zhì)酶系，能夠代謝大量的內(nèi)源或外源底物，昆蟲(chóng)代謝抗性主要涉及的酶包括混合功能氧化酶系（mixed function oxidases，MFOs）、羧酸酯酶（carboxylesterascs，CaE）和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（Glutathione-S-transferases，GSTs）。 它們通過(guò)增強(qiáng)對(duì)農(nóng)藥的轉(zhuǎn)化和降解作用來(lái)降低農(nóng)藥毒性或通過(guò)阻隔作用保護(hù)自己的靶標(biāo)位點(diǎn)1。

從昆蟲(chóng)抗藥性的分子水平上講，昆蟲(chóng)有3類(lèi)改變（突變）可產(chǎn)生抗性：一是基因擴(kuò)增（Gene Amplification ）。 一個(gè)基因擴(kuò)增的結(jié)果是在DNA 中呈現(xiàn)該基因的多個(gè)拷貝，若基因的產(chǎn)物為某種解毒酶，則后者的解毒能力會(huì)隨著基因擴(kuò)增而成倍增加；二是由于基因表達(dá)的改變（Altered Expression）產(chǎn)生抗性；三是產(chǎn)生抗性的突變是基因的結(jié)構(gòu)改變（Structure Change），導(dǎo)致其產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生相應(yīng)的改變2。

混合功能氧化酶系細(xì)胞色素P450酶系能接受并代謝各種各樣的外源化合物，表現(xiàn)出很大的非專(zhuān)一性。 這種機(jī)制使昆蟲(chóng)很易對(duì)殺蟲(chóng)劑產(chǎn)生抗性，是化學(xué)防治蟲(chóng)害的一個(gè)主要障礙。P450酶系中起中心作用的是細(xì)胞色素P450，目前已有近100個(gè)昆蟲(chóng)P450基因被克隆，這些基因僅屬CYP6和CYP6兩個(gè)家族。CYP6A1是第一個(gè)從昆蟲(chóng)中分離到的細(xì)胞色素P450基因。CYP6A1抗體可強(qiáng)烈地抑制微粒體七氯環(huán)氧化作用，說(shuō)明CYP6A1主要代謝環(huán)戊二烯類(lèi)殺蟲(chóng)劑?？剐岳ハx(chóng)中，調(diào)控基因突變導(dǎo)致P450酶的過(guò)量產(chǎn)生是引起其對(duì)各類(lèi)殺蟲(chóng)劑高抗性的主要原因。但是，氨基酸替換也會(huì)引起昆蟲(chóng)抗藥性的增強(qiáng)。Berge將野生的和突變的CYP6A2 的cDNA插入大腸桿菌表達(dá)載體，在大腸桿菌中表達(dá)得到了有活性的解毒酶蛋白，發(fā)現(xiàn)氨基酸替換后的酶對(duì)DDT代謝活性明顯提高1。

羧酸酯酶羧酸酯酶，活性中心為ser-his-clu三聯(lián)體，屬絲氨酸酶，在有機(jī)磷化合物的解毒作用中起重要作用。含羧酸鍵的農(nóng)藥（如馬拉硫磷，苯醚菊酯）可被羧酸酯酶特異性降解，而其對(duì)含磷酸酯、硫酯的農(nóng)藥則以阻隔作用為主，降解作用為輔。經(jīng)測(cè)算每只蚜蟲(chóng)（Myzus persicae）中，E4酶可阻隔 2.5 ng對(duì)氧磷，而水解速度僅為0.83 ng·h-1， 占阻隔量的33.2%。昆蟲(chóng)羧酸酯酶與有機(jī)磷農(nóng)藥的結(jié)合力非常強(qiáng)， 如Cx auinguefasciatus Est B2與對(duì)氧磷的結(jié)合速度為1.7×107mol·L-1min-1。 許多有機(jī)磷農(nóng)藥化合物在生理濃度為1-10 nmol·L-1時(shí)都可與CaE迅速反應(yīng)， 所以昆蟲(chóng)靶標(biāo)酶能夠避免濃度極低的農(nóng)藥的攻擊。因此，在抗性昆蟲(chóng)中，羧酸酯酶代謝能力的增強(qiáng)，一般以增加羧酸酯酶的數(shù)量而非質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)1。

谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶是一類(lèi)催化還原型谷胱甘肽與各種親電化合物親核加成反應(yīng)的酶。GST基因的克隆和異源表達(dá)促進(jìn)了酶作用分子機(jī)制的研究。研究結(jié)果表明，GST有代謝多種農(nóng)藥的能力，昆蟲(chóng)殺蟲(chóng)劑抗性水平與GST活性水平相關(guān)1。

應(yīng)用生態(tài)治蟲(chóng)目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都認(rèn)為，化學(xué)防治與生物防治結(jié)合可達(dá)到良好效果又能降低農(nóng)藥用量，延緩害蟲(chóng)抗性產(chǎn)生。然而，天敵產(chǎn)生抗性的速度比害蟲(chóng)要慢得多，迄今為止，只在31種天敵中發(fā)現(xiàn)了抗性，，其原因可能是經(jīng)化學(xué)防治后生存下來(lái)的害蟲(chóng)會(huì)有豐富的食物（即作物），而天敵卻難以發(fā)現(xiàn)其食物而不易生存。人為選育抗性天敵，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所獲抗性水平低，又易丟失。目前，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展使轉(zhuǎn)基因抗性天敵的產(chǎn)生成為可能。1982年Rubin和Sprading就成功地利用P-轉(zhuǎn)座子將外緣基因成功轉(zhuǎn)入果蠅胚胎細(xì)胞的染色體并得到表達(dá)。隨著分子生物學(xué)、抗性分子遺傳學(xué)的發(fā)展和對(duì)天敵遺傳背景的不斷了解， 轉(zhuǎn)基因抗性天敵的問(wèn)世及其應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。

治理糧食污染化學(xué)防治往往會(huì)造成糧食污染，人們迫切希望有一種解毒酶能方便而快捷地降解糧食中的殘留農(nóng)藥。這種酶一般應(yīng)有以下特性：（1）由單一基因編碼，僅有一個(gè)亞基因組成，不需輔酶或輔基即可在生物體外長(zhǎng)時(shí)間保持活性；（2）由于被污染的糧食中農(nóng)藥濃度一般為mg·kg-1級(jí)，這就要求解毒酶對(duì)農(nóng)藥必需具有較高的親和力，能夠迅速與農(nóng)藥結(jié)合并具有較高的轉(zhuǎn)化效率，能夠快速、高效地將農(nóng)藥降解成無(wú)毒或低毒產(chǎn)物；（3）酶的穩(wěn)定性好，消長(zhǎng)半衰期長(zhǎng)，能夠在較寬的 pH和溫度范圍內(nèi)保持較高地酶性；（4）有較寬的底物專(zhuān)一性，對(duì)多種農(nóng)藥有降解作用；（5）能以低廉的成本生產(chǎn)。

微生物來(lái)源的解毒酶一般有較高的降解能力，每分鐘能夠分解103-106有機(jī)磷分子，而微生物解毒酶與有機(jī)磷農(nóng)藥反應(yīng)達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時(shí)，底物的濃度 （KM）一般在幾到幾十nmol·L-1之間，顯然，低親和性的解毒酶不利于去除糧食蔬菜中低殘留高毒性的農(nóng)藥污染。昆蟲(chóng)的羧酸酯酶對(duì)農(nóng)藥有較高的親和性， 且在體外依然表現(xiàn)出降解活性。因此，有望應(yīng)用于污染糧食的治理。通過(guò)人為對(duì)酯酶基因密碼子進(jìn)行改造，改善其對(duì)農(nóng)藥的降解能力，可得到有商業(yè)用途的解毒酶。

治理污染水源及土壤土壤和水源若長(zhǎng)期被農(nóng)藥污染會(huì)嚴(yán)重影響人類(lèi)健康。昆蟲(chóng)解毒酶在微生物或植物中的異源表達(dá)為污染環(huán)境的治理提供了一條方便可行的途徑。植物和動(dòng)物的P450基因有一定同源性，將動(dòng)物P450基因轉(zhuǎn)移到植物中高效表達(dá)，并利用植物的P450還原酶，可以使轉(zhuǎn)基因植物擁有解毒能力。 轉(zhuǎn)基因植物目前已用于生產(chǎn)實(shí)踐，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 昆蟲(chóng)解毒酶基因經(jīng)幾十年研究已探明其作用機(jī)理，將其轉(zhuǎn)入植物可望用于農(nóng)藥污染治理。轉(zhuǎn)基因植物治理污染具有易于操作， 美化環(huán)境，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

轉(zhuǎn)基因微生物已可用于農(nóng)藥的生物整治。將轉(zhuǎn)基因微生物或藻類(lèi)固定于生物反應(yīng)器中，使污水流經(jīng)反應(yīng)器，既凈化了污水，又不至于對(duì)環(huán)境形成潛在危害。

用于人、畜解毒將昆蟲(chóng)解毒酶應(yīng)用于人畜解毒也是一種有益的探索。如羧酸酯酶可在動(dòng)物體內(nèi)與有機(jī)磷農(nóng)藥迅速結(jié)合保護(hù)機(jī)體免受傷害，并能進(jìn)一步降解農(nóng)藥從而降低其毒副作用。解毒酶還能添加于禽畜飼料中，降解飼料中殘留的農(nóng)藥，避免農(nóng)藥在禽畜體內(nèi)堆積危害人類(lèi)。至于解毒酶能否應(yīng)用于人類(lèi)的解毒，用藥途徑如何，是否對(duì)會(huì)人類(lèi)產(chǎn)生副作用，尚待進(jìn)一步研究1。