基本信息

团队简介

生物分子靶标课题组长期从事绿色农药分子靶标研究,针对病原菌、有害昆虫等均以几丁质作为结构成分的特点,运用结构生物学和化学生物学等手段系统研究参与几丁质合成、降解以及修饰的关键酶,并以此开发新的、人/畜安全的农药分子靶标以及农化产品。

主要研究方向:1)昆虫表皮及外骨骼形成的分子机制;2)昆虫酶的结构生物学及抑制剂设计;3)病害,虫害的小分子调控;4)药物递送与控释技术。

近5年来承担包括国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划项目子课题等多项国家级项目,在Biotechnology Advances、Journal of Biological Chemistry和Journal of Agricultural and Food Chemistry等领域内重要期刊发表一系列代表性论文,出版英文专著1部。



代表性成果

研究思路:

FA00

最新研究进展

1)糖苷水解酶家族18和20酶是传统药物小檗碱的新靶标

小檗碱是一种具有多种药用和农业用途的传统药物。然而,目前尚不清楚小檗碱是否可以成为糖活性酶的生物活性分子,这些酶在生命过程中起着许多重要作用。在本研究中,发现小檗碱及其类似物是糖苷水解酶家族的竞争性抑制剂,包括来自人和害虫玉米螟的糖苷水解酶家族20的β-N-乙酰-D-己糖氨酶(GH20 Hex)和家族18的几丁质酶。小檗碱及其类似物SYSU-1可抑制来自玉米螟的昆虫GH20 Hex(OfHex1),Ki值分别为12和8.5 μM。小檗碱及其类似物SYSU-1与OfHex1的共结晶结果表明,小檗碱的带正电荷的共轭平面与Trp490形成π-π堆积相互作用,这是它抑制活性的关键。此外,小檗碱的1,3-二氧杂环戊烯基结合到由Trp322,Trp483和Val484形成的口袋,这也有助于其抑制活性。小檗碱也被发现可以抑制人类GH20 Hex(HsHexB),人GH18几丁质酶(HsCht和酸性哺乳动物几丁质酶)和昆虫GH18几丁质酶(OfChtI)。除了GH18和GH20酶之外,小檗碱可以微弱抑制人GH84O-GlcNAcase(HsOGA)和酿酒酵母GH63 α-葡糖苷酶I(ScGluI)。通过分析已发布的晶体结构,表明小檗碱以相同的机制与其靶标结合,即通过π-π堆积和与结合口袋中的芳香族/酸性残基的静电相互作用。本文报道了小檗碱的新分子靶点,并可能提供一种基于小檗碱的支架用于开发多靶点药物。

Duan, Y., Liu, T., Zhou, Y., Dou, T., and Yang, Q. (2018) Glycoside hydrolase family 18 and 20 enzymes are novel targets of the traditional medicine berberine. J. Biol. Chem. 293, 15429-15438

2)昆虫II分支几丁质酶的结构分析揭示了其表皮几丁质水解机制

几丁质是一种由N-乙酰-β-D-葡萄糖胺组成的线性多聚物,是昆虫表皮的主要结构成分。在昆虫中,几丁质的水解对于其周期性蜕皮是必要的。II家族几丁质酶(ChtII)是昆虫体内广泛存在的一种几丁质酶,在鳞翅目昆虫中,ChtII和其他两种几丁质酶(ChtI、Chi-h)共同参与表皮几丁质降解过程。ChtI和Chi-h在之前的研究中已经有了充分的了解,然而对于ChtII的性质仍然所知甚少。本研究获得了来源于亚洲玉米螟的II家族几丁质酶(OfChtII),并对其结构和酶学性质进行了深入的探究。我们获得了OfChtII的两个催化域截短体(OfChtII-C1和OfChtII-C2)的蛋白及底物复合物晶体结构,发现二者都具有长且深的底物结合裂缝,表现出内切酶活性。然而,OfChtII活性位点之外缺乏用于多聚底物结合的特征性结构。不过OfChtII中存在着大量的催化域和几丁质结合域,可能会有助于水解多聚底物,因为包含一个催化域和三个几丁质结合域的截短体(OfChtII-B4C1)对多聚底物的水解活性明显高于OfChi-h和OfChtI。此外,通过结构比较发现,昆虫中的几丁质降解系统与广泛研究的细菌几丁质降解系统存在着较大的差异。本文的研究对于昆虫几丁质降解系统提供了深入的认识,另一方面,这项工作也为设计靶向昆虫蜕皮的农药提供了一个很好的起点。

F6C2

Chen W., Qu M., Zhou, Y., & Yang Q. (2018) Structural analysis of group II chitinase (ChtII) catalysis completes the puzzle of chitin hydrolysis in insects.J. Biol. Chem., 293, 2652-2660.

进一步,我们发现了四个针对农业害虫亚洲玉米螟II家族几丁质酶(OfChtII)的小分子抑制剂。这些抑制剂分别是壳八糖(GlcN)8、双吡啶衍生物(DP)、哌啶-噻吩并吡啶衍生物(PT)和萘酰亚胺衍生物(NI),它们具有不同的结构特征但表现出相似的抑制活性。通过四个抑制剂与OfChtII催化域的复合物晶体机构发现,它们在底物结合裂隙中都具有相似的结合模式:抑制剂的两个疏水基团分别与-1/-2位的色氨酸和-1位的疏水口袋相互作用。不过(GlcN)8的复合物中抑制剂寡糖链的方向与以前在其他几丁质酶复合物中观察到的糖链方向相反。杀虫实验表明将这些抑制剂注射入亚洲玉米螟4龄幼虫体内会导致其发育和化蛹方面的缺陷。本研究结果揭示了一种抑制ChtII活性的普遍机理,有助于靶向害虫蜕皮的农药的理性设计。

Chen W., Zhou Y., & Yang Q. (2019) Structural dissection reveals a general mechanistic principle for group II chitinase (ChtII) inhibition.J. Biol. Chem., 294, 9358-9364.

3)鳞翅目昆虫特有的几丁质酶的水解机制

Chi-h是鳞翅目昆虫特有的,参与几丁质水解的18家族糖基水解酶。进化分析显示,其与来源自细菌及杆状病毒的同系物具有高度同源性。蛋白组分析和RNAi实验表明,Chi-h为鳞翅目昆虫蜕皮所必需,对鳞翅目昆虫的生长发育有重要作用。本文对来源自农业害虫亚洲玉米螟的几丁质酶OfChi-h进行了研究。晶体结构揭示OfChi-h拥有狭长的底物结合口袋,是进程性的几丁质外切酶。结构比对显示,两个色氨酸组成了OfChi-h底物结合口袋的+2和-7位,而在细菌来源的同系物SmChiA中,该位置则为苯丙氨酸。底物水解实验表明,F232W/F396W双突变能赋予SmChiA对固态底物如昆虫表皮、α-几丁质和几丁质纳米晶须更强的水解活性和选择性。酶学性质研究发现,与昆虫中具有内切活性的几丁质酶OfChtI相比,OfChi-h对于固态底物有更高的水解活性,而OfChtI则更倾向于水解可溶底物聚乙二醇几丁质。此外,研究还发现底物类似物TMG-(GlcNAc)4在抑制OfChi-h活性的同时还能被OfChi-h水解为TMG-(GlcNAc)1–2。杀虫活性评价则显示TMG-(GlcNAc)4能够导致玉米螟幼虫化蛹不正常而死亡。本研究加深了对几丁质酶OfChi-h的认识,并为绿色农药的开发提供了理论基础。

Liu, T., Chen, L., Zhou, Y., Jiang, X., Duan, Y., & Yang, Q. (2017). Structure, catalysis, and inhibition of OfChi-h, the lepidoptera-exclusive insect chitinase. J.Biol. Chem., 292, 2080-2088.

4)昆虫几丁质脱乙酰基酶的催化机制

昆虫几丁质脱乙酰基酶(CDA)催化几丁质上乙酰基团离去生成壳聚糖,在几丁质合成和组装过程中发挥重要功能,对昆虫正常生长发育至关重要,因此CDA被认为是潜在的害虫防治靶标。然而,昆虫CDA的蛋白结构和生化特性尚不清楚。本研究解析了来源于家蚕的两个昆虫CDA的结构,分别是参与表皮几丁质修饰的BmCDA1和参与中肠围食膜几丁质修饰的BmCDA8。与微生物来源的CDA结构相比,昆虫CDA结构特有两个loop区,它们构成了昆虫CDA独特的长且开放的底物结合裂缝。生化性质结果表明BmCDA8发挥活性需要底物占据0、+1和+2底物结合位点,而BmCDA1催化还需要辅助蛋白激活。本研究首次揭示了糖酯酶4家族中昆虫蛋白的结构和生化特性。

142EE

Liu, L., Zhou, Y., Qu, M., Qiu, Y., Guo, X., Zhang, Y., Liu, T., Yang, J., & Yang, Q. (2019). Structural and biochemical insights into the catalytic mechanisms of two insect chitin deacetylases of the carbohydrate esterase 4 family. J. Biol. Chem., 294, 5774–5783.

团队主要在研项目:

(1)国家自然科学基金重点项目:昆虫几丁质合酶跨膜域结构及苯甲酰脲类农药的作用模式,2019-2023,286万元

(2)国家重点研发计划课题:基于蛋白质结构与功能的新靶标发现与验证,2017-2020,300万元

(3)国家自然科学基金杰出青年基金:农药毒理学,2015-2019,400万元

(4)国家自然科学基金面上项目:潜在分子靶标亚洲玉米螟GroupI几丁质脱乙酰基酶结构生物学研究,2018-2021,59万

(5)国家自然科学基金面上项目:亚洲玉米螟头壳关键表皮蛋白的发现及功能研究,2019-2022,59万

(6)国家自然科学基金面上项目:昆虫辅助活性10家族裂解性多糖单加氧酶的生物学功能,2019-2022,59万



专利情况



论文情况

1. Jiang, Xi; Kumar, Ashutosh; Motomura, Yasutaka; Liu, Tian; Zhou, Yong; Moro, Kazuyo; Zhang, Y. J. Kam; Yang, Qing. A series of compounds bearing a dipyrido-pyrimidine scaffold acting as novel human and insect pest chitinase inhibitors[J], JOURNAL OF MEDICINAL CHEMISTRY, 2020, 63: 987-1001.

2. Qi, Huitang; Liu, Tian; Lu, Qiong; Yang, Qing. Molecular Insights into the Insensitivity of Lepidopteran Pests to Cycloxaprid. JOURNAL OF AGRICULTURAL AND FOOD CHEMISTRY, 2020, 68: 982-988.

3. Liu, Tian; Han, Hongyu; Wang, Di; Guo, Xiaoguang; Zhou, Yong; Fukamizo, Tamo; Yang, Qing. Potent fungal chitinase for the bioconversion of mycelial waste. JOURNAL OF AGRICULTURAL AND FOOD CHEMISTRY, 2020, 68: 5384-5390.

4. Liu, Tian; Guo, Xiaoguang; Bu, Yunfei; Zhou, Yong; Duan, Yanwei; Yang, Qing. Structural and biochemical insights into an insect gut-specific chitinase with antifungal activity. INSECT BIOCHEMISTRY AND MOLECULAR BIOLOGY, 2020, 119, 103326.

5. Qu, Mingbo; Sun, Saopeng; Liu, Yuansheng; Deng, Xiaorui; Yang, Jun; Yang Q., Insect group II chitinase OfChtII promotes chitin degradation during larva–pupa molting. Insect Science, 2020, DOI: 10.1111/1744-7917.12791.

6. Chu, Fangmeng; Wang, Di; Liu, Tian; Han, Hongyu; Yu, Yike; Yang, Qing. An optimized cocktail of chitinolytic enzymes to produce N,N '-diacetylchitobiose and N-acetyl-D-glucosamine from defatted krill by-products[J], INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOLOGICAL MACROMOLECULES, 2019, 133: 1029-1034.

7. Liu, Lin; Zhou, Yong; Qu, Mingbo; Qiu, Yu; Guo, Xingming; Zhang, Yuebin; Liu, Tian; Yang, Jun; Yang, Qing. Structural and biochemical insights into the catalytic mechanisms of two insect chitin deacetylases of the carbohydrate esterase 4 family[J], JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, 2019, 294(15): 5774-5783.

8. Liu Lin; Qu Mingbo; Liu Tian; Chen Qi; Guo Xingming; Yang Jun; Yang Qing. Biochemical characterization of three midgut chitin deacetylases of the Lepidopteran insect Bombyx mori[J], JOURNAL OF INSECT PHYSIOLOGY, 2019, 113: 42-48.

9. Duan, Yanwei; Liu, Tian; Zhou, Yong; Dou, Tongyi; Yang, Qing. Glycoside hydrolase family 18 and 20 enzymes are novel targets of the traditional medicine berberine[J], JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, 2018, 293(40): 15429-15438.

10. Muthukrishnan, Subbaratnam; ,Arakane, Yasuyuki; Yang, Qing; Zhang, Chuan-Xi; Zhang, Jianzhen; ,Zhang, Wenqing; Moussian, Bernard. Future questions in insect chitin biology: A microreview[J], ARCHIVES OF INSECT BIOCHEMISTRY AND PHYSIOLOGY, 2018, 98(2): e21454.

11. Liu, Tian; Zhu, Weixing; Wang, Jing; Zhou, Yong; Duan, Yanwei; Qu, Mingbo; Yang, Qing. The deduced role of a chitinase containing two nonsynergistic catalytic domains[J], ACTA CRYSTALLOGRAPHICA SECTION D-STRUCTURAL BIOLOGY, 2018, 74(Pt 1): 30-40.

12. Liu Lin; Qu Mingbo; Yang Jun; Yang Qing. The physiological differentiation along the midgut of Bombyx mori - inspirations from proteomics and gene expression patterns of the secreted proteins in the ectoperitrophic space.[J], INSECT MOLECULAR BIOLOGY, 2017, 27(2): 247-259.

13. Qu, Mingbo; Ren, Yuezhou; Liu, Yyuansheng; Yang, Qing. Studies on the chitin/chitosan binding properties of six cuticular proteins analogous to peritrophin 3 from Bombyx mori[J], INSECT MOLECULAR BIOLOGY, 2017, 26(4): 432-439.

14. Liu, Tian; Chen, Lei; Zhou, Yong; Jiang, Xi; ,Duan, Yanwei; Yang, Qing. Structure, Catalysis, and Inhibition of OfChi-h, the Lepidoptera-exclusive Insect Chitinase[J], JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY, 2017, 292(6): 2080-2088.

15. Liu, Tian; Duan, Yanwei; Yang, Qing. Revisiting glycoside hydrolase family 20 beta-N-acetyl-d-hexosaminidases: Crystal structures, physiological substrates and specific inhibitors.[J], BIOTECHNOLOGY ADVANCES, 2018, 36(4): 1127-1138.

16. Jiang, Xi; Kumar, Ashutosh; Liu, Tian; Zhang, Kam Y. J; Yang, Qing. A Novel Scaffold for Developing Specific or Broad-Spectrum Chitinase Inhibitors[J], JOURNAL OF CHEMICAL INFORMATION AND MODELING, 2016, 56(12): 2413-2420.

17. Zhu, Weixing; Wang, Di; Liu, Tian; Yang, Qing. Production of N-Acetyl-D-glucosamine from Mycelial Waste by a Combination of Bacterial Chitinases and an Insect N-Acetyl-D-glucosaminidase[J], JOURNAL OF AGRICULTURAL AND FOOD CHEMISTRY, 2016, 64(35): 6738-6744.




著作情况

1.Jiang xi;Bao Han;Merzendorfer Hans;Yang Qing.Immune Responses of Mammals and Plants to Chitin-Containing Pathogens[M].Targeting Chitin-containing Organisms. Springer, Singapore, 2019: 61-81.

2.Muthukrishnan Subbaratnam;Merzendorfer Hans;Merzendorfer Hans;Yang, Qing.Chitin Organizing and Modifying Enzymes and Proteins Involved In Remodeling of the Insect Cuticle[M]. Targeting Chitin-containing Organisms. Springer, Singapore, 2019: 83-114.



团队成员
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  • 教授
  • 副教授
  • 讲师
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