昆虫海藻糖酶及其抑制剂研究进展

朱本全，杜馨

（湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430068）

1 海藻糖对昆虫的重要性

1.1 在昆虫生长发育过程中的作用

海藻糖，又叫酵母糖、蕈糖，是由两分子葡萄糖通过α,α-1,1-糖苷键连接而形成的一种非还原性二糖，既是一种贮藏性碳水化合物，也是应激代谢的重要产物。海藻糖作为昆虫的血糖，在昆虫生长发育和滞育发育方面发挥重要的作用。滞育是昆虫受到不利于其生长的环境而出现的生长发育或生殖暂时中止的生理现象。在滞育前期和滞育解除过程中，昆虫通过特异性地积累或转化体内脂类、碳水化合物和氨基酸等营养物质，以提高存活率并保障解除后发育的能量需求[1]。海藻糖的结构相对稳定，能够在细胞表面形成保护膜维持其生物分子构型，增强昆虫抗逆性。海藻糖在寒冷条件下可以转化成甘油、山梨醇等能够提高昆虫抗寒性的多元醇，帮助昆虫度过寒冷、干旱等环境恶劣的生存时期，维持物种的延续。

1.2 海藻糖合成分解途径

目前已知的海藻糖合成途径有5种：TREP途径、TRET途径、TS途径、TPS/TPP途径以及TREY/TREZ途径。研究最深入的是TPS/TPP途径，即尿苷二磷酸葡萄糖与6-磷酸葡萄糖在6-磷酸海藻糖合成酶（TPS）催化下生成6-磷酸海藻糖，再进一步在6-磷酸海藻糖磷酸酯酶催化下去磷酸化，最终生成海藻糖的途径，这是昆虫体内海藻糖合成的最主要途径。昆虫体内的海藻糖不能被一般的酶水解，海藻糖酶是昆虫体内唯一一种能分解海藻糖的酶[2]。海藻糖酶又称海藻糖水解酶，是一种能够将一分子海藻糖分解成两分子葡萄糖的特异性酶，分解产生的葡萄糖经过糖酵解途径生成丙酮酸进入三羧酸循环，并最终氧化形成水和二氧化碳，这个最普遍的降解过程能够为昆虫的飞行和生长发育提供能量。在发育的特殊时期，昆虫体内的海藻糖会一直保持在一个较高水平[3]。

2 海藻糖酶的分类及作用机制

2.1 海藻糖酶的分类

海藻糖酶由海藻糖基因编码，以两种不同类型存在于昆虫的大部分全身组织中。一种是可溶型海藻糖酶TRE1，另一种是膜结合型海藻糖酶TRE2。TRE1和TRE2分别调控不同位置的海藻糖酶活性，且海藻糖酶的活性多以可溶型海藻糖酶TRE1为主。

2.2 海藻糖代谢调控几丁质合成

几丁质又称甲壳素，是昆虫表皮外骨骼、肠道周围营养基质以及气管结构的重要组成成分。昆虫在发育过程中需要经历蜕皮过程，昆虫幼虫每生长到一定阶段就要蜕掉旧的表皮，形成新表皮，几丁质在这个过程中扮演着重要的角色。部分昆虫在经历变态发育过程中会发生几丁质的降解。针对几丁质的结构和生物合成途径、降解过程进行药物处理可以导致昆虫无法形成新的几丁质表皮、蜕皮畸形、翅形发育畸形、气管发育畸形甚至直接致死，以达到影响害虫发育过程、控制害虫数量和杀灭害虫目的。

海藻糖循环路径位于几丁质合成路径的起始端，TPS/TPP通过该路径进行海藻糖的合成，TRE分解海藻糖，为几丁质的合成提供原料。研究发现海藻糖的合成与分解都对几丁质的合成有重要的调控作用[4]。通过破坏几丁质的供给平衡，对整个途径产生影响，并最终体现在对昆虫发育的影响上。

2.3 作为潜在新型靶标的可行性

从目前的研究来看，海藻糖酶最早在曲霉属中被检测到，随后在细菌、真菌、低等动物和无脊椎动物和植物体内相继发现其存在。昆虫等低等动物可以在体内合成存储海藻糖，而脊椎动物尚未发现有任何一例能在体内合成储存海藻糖的报道。在已录入的脊椎动物基因库中也未发现海藻糖合成的相关基因。因此以海藻糖酶为靶标可利用其对人畜安全的选择毒性[5]。

3 海藻糖酶抑制剂的研究现状

3.1 已有抑制剂

目前抑制机制研究得较清楚的有海藻唑啉（Trehazolin）、有效霉素A和B（ValidoxylamineA、B）、2R,5R-二羟甲基、3R,4R-二羟基吡咯（DMDP）、salbostatin、井冈霉素（Validamvcin）等。这些抑制剂能够与海藻糖酶上的活性位点结合，或作为竞争性抑制剂与海藻糖争夺结合位点，从而抑制海藻糖酶的活性，影响昆虫体内几丁质的代谢过程，导致昆虫在发育时期蜕皮困难而死亡，无法生长为成虫[6]。但这类抑制剂缺点比较明显，虽然在离体实验中表现出了很高的活性，但其活体效果较差，尚未有有效的改进产品面世[7]。如何保证抑制剂的离体活性是亟待解决的问题之一。

3.2 其他抑制手段

化学修饰可以改变酶蛋白的分子结构，包括主链结构和侧链基团等。在氨基酸侧链外部有很多功能基团，这些功能基团的位点通常都是酶的重要活性位点，对酶的活性有重要作用。专一性的化学修饰剂与可溶型海藻糖酶蛋白中特定侧链功能基团结合，可以导致海藻糖酶活性降低甚至完全失活[8]。通过了解这些海藻糖酶活性位点的氨基残基数量和性质，可以推测海藻糖酶的空间构象、活性位点等，再针对其特点设计相应的药物。

针对几丁质途径的RNA靶向干扰技术[9]对TRE1、TRE2和TPS进行干扰，阻碍几丁质通路从而导致虫体的畸形和死亡也是一种有效的技术手段。干扰TRE后，海藻糖的分解路径受阻，不仅几丁质的合成被抑制，同时也会干扰几丁质的分解过程，使得昆虫因为几丁质含量减少而出现蜕皮困难等现象。

4 结语

中国作为一个农业大国，绿色杀虫剂的发展是大势所趋。海藻糖酶作为昆虫生长发育过程中最为重要的调节酶之一，其合成途径的阻断、降解过程的促进以及生物活性的抑制是许多研究人员的研究重点。如果能够有效抑制海藻糖酶的活体活性，将对害虫绿色生物防治、提高农作物质量产量做出巨大贡献。