[科普中国]-昆虫解毒酶

解毒机理

人类对害虫的化学防治，使害虫产生适者生存现象，最终导致抗性的产生。通常杀虫剂被分为4类：有机氯类，有机磷类，拟除虫菊酯类和氨基甲酸类。有机氯类和拟除虫菊酯类农药主要通过改变轴突膜的离子通道通透性，影响膜的电位差，阻断轴突传导来达到除虫目的。有机磷类和氨基甲酸类农药则主要通过抑制昆虫乙酰胆碱酯酶的活性来实现除虫作用。环二烯类杀虫剂的作用位点是GABA受体。昆虫则主要通过降低表皮和神经膜穿透作用（行为抗性），降低靶标部分的敏感性（靶标抗性）和增强自身对农药的代谢能力（代谢抗性）这三种途径实现对农药的抗性。昆虫的解毒酶是一类异质酶系，能够代谢大量的内源或外源底物，昆虫代谢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-转移酶（Glutathione-S-transferases，GSTs）。 它们通过增强对农药的转化和降解作用来降低农药毒性或通过阻隔作用保护自己的靶标位点1。

从昆虫抗药性的分子水平上讲，昆虫有3类改变（突变）可产生抗性：一是基因扩增（Gene Amplification ）。 一个基因扩增的结果是在DNA 中呈现该基因的多个拷贝，若基因的产物为某种解毒酶，则后者的解毒能力会随着基因扩增而成倍增加；二是由于基因表达的改变（Altered Expression）产生抗性；三是产生抗性的突变是基因的结构改变（Structure Change），导致其产物的结构也产生相应的改变2。

混合功能氧化酶系细胞色素P450酶系能接受并代谢各种各样的外源化合物，表现出很大的非专一性。 这种机制使昆虫很易对杀虫剂产生抗性，是化学防治虫害的一个主要障碍。P450酶系中起中心作用的是细胞色素P450，目前已有近100个昆虫P450基因被克隆，这些基因仅属CYP6和CYP6两个家族。CYP6A1是第一个从昆虫中分离到的细胞色素P450基因。CYP6A1抗体可强烈地抑制微粒体七氯环氧化作用，说明CYP6A1主要代谢环戊二烯类杀虫剂。抗性昆虫中，调控基因突变导致P450酶的过量产生是引起其对各类杀虫剂高抗性的主要原因。但是，氨基酸替换也会引起昆虫抗药性的增强。Berge将野生的和突变的CYP6A2 的cDNA插入大肠杆菌表达载体，在大肠杆菌中表达得到了有活性的解毒酶蛋白，发现氨基酸替换后的酶对DDT代谢活性明显提高1。

羧酸酯酶羧酸酯酶，活性中心为ser-his-clu三联体，属丝氨酸酶，在有机磷化合物的解毒作用中起重要作用。含羧酸键的农药（如马拉硫磷，苯醚菊酯）可被羧酸酯酶特异性降解，而其对含磷酸酯、硫酯的农药则以阻隔作用为主，降解作用为辅。经测算每只蚜虫（Myzus persicae）中，E4酶可阻隔 2.5 ng对氧磷，而水解速度仅为0.83 ng·h-1， 占阻隔量的33.2%。昆虫羧酸酯酶与有机磷农药的结合力非常强， 如Cx auinguefasciatus Est B2与对氧磷的结合速度为1.7×107mol·L-1min-1。 许多有机磷农药化合物在生理浓度为1-10 nmol·L-1时都可与CaE迅速反应， 所以昆虫靶标酶能够避免浓度极低的农药的攻击。因此，在抗性昆虫中，羧酸酯酶代谢能力的增强，一般以增加羧酸酯酶的数量而非质量来实现1。

谷胱甘肽转移酶谷胱甘肽转移酶是一类催化还原型谷胱甘肽与各种亲电化合物亲核加成反应的酶。GST基因的克隆和异源表达促进了酶作用分子机制的研究。研究结果表明，GST有代谢多种农药的能力，昆虫杀虫剂抗性水平与GST活性水平相关1。

应用生态治虫目前国内外许多学者都认为，化学防治与生物防治结合可达到良好效果又能降低农药用量，延缓害虫抗性产生。然而，天敌产生抗性的速度比害虫要慢得多，迄今为止，只在31种天敌中发现了抗性，，其原因可能是经化学防治后生存下来的害虫会有丰富的食物（即作物），而天敌却难以发现其食物而不易生存。人为选育抗性天敌，不仅费时费力，所获抗性水平低，又易丢失。目前，转基因技术的发展使转基因抗性天敌的产生成为可能。1982年Rubin和Sprading就成功地利用P-转座子将外缘基因成功转入果蝇胚胎细胞的染色体并得到表达。随着分子生物学、抗性分子遗传学的发展和对天敌遗传背景的不断了解， 转基因抗性天敌的问世及其应用已为期不远。

治理粮食污染化学防治往往会造成粮食污染，人们迫切希望有一种解毒酶能方便而快捷地降解粮食中的残留农药。这种酶一般应有以下特性：（1）由单一基因编码，仅有一个亚基因组成，不需辅酶或辅基即可在生物体外长时间保持活性；（2）由于被污染的粮食中农药浓度一般为mg·kg-1级，这就要求解毒酶对农药必需具有较高的亲和力，能够迅速与农药结合并具有较高的转化效率，能够快速、高效地将农药降解成无毒或低毒产物；（3）酶的稳定性好，消长半衰期长，能够在较宽的 pH和温度范围内保持较高地酶性；（4）有较宽的底物专一性，对多种农药有降解作用；（5）能以低廉的成本生产。

微生物来源的解毒酶一般有较高的降解能力，每分钟能够分解103-106有机磷分子，而微生物解毒酶与有机磷农药反应达到最大反应速度一半时，底物的浓度 （KM）一般在几到几十nmol·L-1之间，显然，低亲和性的解毒酶不利于去除粮食蔬菜中低残留高毒性的农药污染。昆虫的羧酸酯酶对农药有较高的亲和性， 且在体外依然表现出降解活性。因此，有望应用于污染粮食的治理。通过人为对酯酶基因密码子进行改造，改善其对农药的降解能力，可得到有商业用途的解毒酶。

治理污染水源及土壤土壤和水源若长期被农药污染会严重影响人类健康。昆虫解毒酶在微生物或植物中的异源表达为污染环境的治理提供了一条方便可行的途径。植物和动物的P450基因有一定同源性，将动物P450基因转移到植物中高效表达，并利用植物的P450还原酶，可以使转基因植物拥有解毒能力。 转基因植物目前已用于生产实践，产生了良好的经济效益。 昆虫解毒酶基因经几十年研究已探明其作用机理，将其转入植物可望用于农药污染治理。转基因植物治理污染具有易于操作， 美化环境，又不会对环境造成二次污染等优点。

转基因微生物已可用于农药的生物整治。将转基因微生物或藻类固定于生物反应器中，使污水流经反应器，既净化了污水，又不至于对环境形成潜在危害。

用于人、畜解毒将昆虫解毒酶应用于人畜解毒也是一种有益的探索。如羧酸酯酶可在动物体内与有机磷农药迅速结合保护机体免受伤害，并能进一步降解农药从而降低其毒副作用。解毒酶还能添加于禽畜饲料中，降解饲料中残留的农药，避免农药在禽畜体内堆积危害人类。至于解毒酶能否应用于人类的解毒，用药途径如何，是否对会人类产生副作用，尚待进一步研究1。