Nat. Commun. | 从毒素结构到AI设计：打造精准靶向昆虫的生物农药

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许多动物来源的肽类毒素能够靶向电压门控钠离子通道，并对昆虫表现出高度选择性和强效毒性。然而，这些毒素为何能够选择性作用于昆虫钠通道而对哺乳动物影响较小，其分子机制仍不清楚。研究人员利用冷冻电镜解析了昆虫钠通道Na_vPaS与两种天然昆虫选择性毒素Av3和LqhαIT的复合物结构。结构结果表明，两种毒素均结合在电压感受结构域VSD4，并通过稳定S4螺旋的去激活构象来抑制通道的快速失活，但其结合模式存在明显差异。

在结构信息的指导下，研究人员进一步结合电生理与毒性实验验证关键作用位点，并利用人工智能驱动的蛋白设计策略优化毒素活性。通过AI预测突变并进行实验验证，获得了毒性显著增强的LqhαIT突变体，其杀虫效率提高约两倍。本研究揭示了昆虫钠通道毒素选择性的结构基础，并为基于结构和人工智能的生物农药设计提供了重要框架。

电压门控钠离子通道是神经和肌肉细胞兴奋性信号传导的关键蛋白。膜电位去极化会触发通道快速开放，使钠离子进入细胞，随后通道迅速进入失活状态，从而精确调控动作电位的产生与传播。钠通道由一个形成孔道的α亚基以及辅助β亚基组成，其中α亚基包含四个结构域，每个结构域含有六个跨膜螺旋。S1–S4形成电压感受结构域，而S5和S6则组成离子通道孔道结构。

昆虫钠通道长期以来被认为是杀虫剂的重要作用靶点。传统化学农药如DDT和拟除虫菊酯均通过作用于该通道产生毒性。然而，这类化学农药的大量使用已经导致严重的抗药性问题，并带来环境风险。因此，寻找更加绿色、安全且具有物种特异性的杀虫策略成为重要研究方向。

动物毒液中的肽类毒素为新型生物农药提供了潜在来源。这些毒素经过长期进化，能够高效而选择性地作用于离子通道。许多来自蝎子、海葵或蜘蛛的毒素对昆虫钠通道具有高度选择性，因此被认为是开发环保型生物农药的重要候选分子。然而，目前仍缺乏关于这些毒素与昆虫钠通道相互作用的高分辨率结构信息，这限制了对其选择性机制的理解以及理性设计更高效毒素的能力。

为解决这一问题，研究人员解析了美国蟑螂钠通道Na_vPaS与两种昆虫选择性毒素Av3和LqhαIT的复合物结构，并结合突变、电生理和AI设计方法系统研究其作用机制。

图1｜Av3和LqhαIT对Nav钠通道的调控作用。

方法概述

研究人员首先表达并纯化两种毒素Av3和LqhαIT，并构建Na_vPaS蛋白表达体系。随后利用冷冻电镜技术解析毒素与通道形成的复合物结构。为验证关键残基的作用，研究人员通过定点突变、表面等离子共振结合实验以及电生理测定分析毒素与钠通道的相互作用。同时，利用人工智能辅助蛋白设计框架筛选可能增强毒素活性的突变，并通过体外结合实验、电生理测试以及昆虫毒性实验进行验证。

结果

昆虫毒素选择性调控钠通道

研究人员首先比较了Av3和LqhαIT在昆虫与哺乳动物钠通道上的作用。实验表明，这两种毒素能够显著增强昆虫钠通道的钠电流并抑制其快速失活，而对人类钠通道几乎没有影响，表明其具有明显的昆虫选择性。

两种毒素在VSD4上的不同结合模式

冷冻电镜结构显示，两种毒素均结合在钠通道的VSD4区域，但其结合方式明显不同。Av3嵌入在VSD4与孔道结构之间的膜内空隙中，而LqhαIT则结合在VSD4的细胞外表面。尽管结合位置不同，两种毒素均能够改变VSD4的构象，从而影响通道的失活过程。

毒素诱导钠通道构象变化

结构分析表明，毒素结合后S4螺旋发生向下移动，使VSD4从部分激活状态转变为去激活状态。这一变化会改变电荷之间的相互作用网络，并限制DIII–IV连接区的运动，从而抑制钠通道的快速失活。

图2｜Av3和LqhαIT诱导的NavPaS构象变化。

昆虫选择性的结构基础

进一步的突变与功能实验揭示了决定毒素选择性的关键残基。例如，Av3与通道之间的疏水相互作用以及部分昆虫特有残基对于毒素活性至关重要。同样，LqhαIT的选择性主要来源于其与VSD4以及糖基结构之间的特异相互作用。这些结构差异解释了毒素为何能够选择性作用于昆虫而非哺乳动物通道。

图3｜NavPaS–Av3复合物结构。

图4｜NavPaS–LqhαIT复合物结构。

AI辅助毒素优化设计

基于复合物结构信息，研究人员建立了AI辅助蛋白设计流程，通过结构模型和深度学习算法预测可能提高毒素活性的突变。经过多轮筛选与实验验证，获得多个增强活性的突变体，其中A39L突变显著提高了毒素的结合能力和杀虫效果。在昆虫体内实验中，该突变体的毒性提高约两倍，展示了AI辅助设计在生物农药开发中的潜力。

图5｜AI驱动的LqhαIT衍生生物农药设计。

讨论

本研究揭示了两种昆虫选择性钠通道毒素的结构基础及其作用机制。尽管Av3和LqhαIT都能调控钠通道的门控过程，但它们采用不同的结合策略：Av3部分嵌入膜环境中，通过楔入结构限制VSD4运动，而LqhαIT则通过与VSD4外侧区域的相互作用改变通道构象。这些结构差异为理解毒素与钠通道的协同进化提供了重要线索。

此外，研究人员通过AI辅助设计成功优化了毒素活性，证明结构信息与机器学习结合能够显著加速生物农药的开发。与传统化学农药相比，基于肽毒素的生物农药具有更高的物种特异性和更低的环境风险，因此在可持续农业中具有重要应用前景。

未来，通过进一步整合结构生物学、人工智能以及蛋白工程技术，有望开发出更加高效和选择性的生物农药，并为离子通道靶向药物设计提供新的思路。

整理 | DrugOne团队

参考资料

Jiang, H., Gao, R., Xu, H. et al. Structural insights into insect-selective sodium channel toxins drive AI-enhanced biopesticide design. Nat Commun (2026).

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70190-z

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