鱼尼丁受体及以其为靶标的杀虫剂(C-2012)

2012 年 6 月
郑雪松，等：鱼尼丁受体及以其为靶标的杀虫剂
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结构域) 与 7、8 和 8a 结构域组成的部位远离 T 管， 并可以向肌浆网膜方向运动大约 8Å 的距离， 与此同 时， 2 结构域和更多的内部结构域在跨膜区的内部螺 旋带动下而远离四聚体轴心，从而导致面向离子通 道的内部螺旋彼此分离，并向外稍微弯曲。这样， 内部螺旋的电子密度就变低，形成了直径较大的孔， 整个离子通道就由关闭状态转为开放状态。在从关 闭向打开的过程中， 内部分支逆时针旋转了 5° (从胞 浆区观测)， 由内部分支形成高密度环变为低密度环， 由此打开。 内部分支与胞浆区的次要结构域 (鱼尼丁 受体结合位点存在区域) 直接相连， 因而能够调节结 构的改变。在通道打开或关闭过程中，胞浆区结构 与跨膜区结构改变具有一致性。所有的结构域和谐 移动，导致了四聚体轴心区蛋白质空间密度发生变 化，从而使离子门直径变大或缩小。胞浆区与跨膜 区紧密联系，胞浆区向上或向下运动拖拽跨膜区内 部分支向相同方向运动，间接参与离子通道的控制。 沿轴分布的内部螺旋、内部分支及由此形成的 高密度蛋白质网区是影响门控功能的 3 个主要结构。 通道关闭状态下，2 个右手螺旋 (内部螺旋、内部分 支) 在交汇点形成了高密度区。 当由关闭向开放状态 改变时， 2 个螺旋全都旋松， 同时降低离子通道蛋白 密度。高密度蛋白质网区也能够使关闭状态的缢痕 向通道打开方向运动。这 3 种结构的运动形成了 1 个非常有效的鱼尼丁受体通道开放与关闭机制。 RyR1 的胞浆区具有多种配体结合结构域，它 们能分别与电压感受器 (DHPR)、FKBP12、钙调素 (CaM) 以及 IpTxa 作用。存在于结构域 4 附近及结 构域 3、5、9 附近的 2 个铰链结构均与鱼尼丁的结 合 有 关 。 结 构 域 4 附 近 的 铰 链 也 是 IpTxa 和 Ca2+-CaM 的结合位点 [20-21] ，而另一个铰链也是 FKBP12 的结合位点
Key words: ryanodine receptor; toxicology; chlorantraniliprole; insect behaviour 自 1998 年日本农药公司与拜耳公司联合发 现氟虫双酰胺对鳞翅目害虫具有良好杀虫活性以 来 [1-2]， 以鱼尼丁受体 (ryanodine receptor, RYR) 为 靶标的杀虫剂就成为农药研究创制单位关注的热 点，2005、2006 和 2007 年，与以鱼尼丁受体为靶 标的杀虫剂相关的公开专利分别有 12、11 和 6 件。 尤其是杜邦公司 2000 年开发的氯虫苯甲酰胺成功 商品化，并于 2008 年在多个国家同时登记用于防 治鳞翅目害虫[3]，更加提升了人们对该类新型结构 杀虫剂的热情，国际抗性行动委员会按其作用机理 将作用于昆虫鱼尼丁受体的杀虫剂列为第 28 类杀 虫剂[4]。以鱼尼丁受体为靶标的双酰胺类杀虫剂， 具有高效、广谱、无交互抗性、对非靶标生物安全 等特点，因而成为害虫综合治理策略 (IPM) 之一。 目前，以昆虫鱼尼丁受体为靶标的杀虫剂主要有两 类： 一是邻苯二甲酰胺类， 代表药剂为氟虫双酰胺； 另一类是邻甲酰氨基苯甲酰胺类，代表药剂为氯虫 苯甲酰胺[5]、溴氰虫酰胺[6]。 关于这两类药剂的作用机制，众多学者曾进行 过阐述。 董卫莉等对 RyR 结构与功能、 以鱼尼丁受 体为靶标的杀虫剂作用机理进行了综述；唐振华等 对鱼尼丁受体调节内环境及双酰胺类药剂作用于 鱼尼丁受体分子机理作了进一步阐述[7]；关于鱼尼 丁受体的激活物与抑制物也有很多报道[8-9]。 本文主 要是对鱼尼丁受体同工型、各结构域控制的离子通 道以及双酰胺类药剂对害虫行为、生理及生殖的影
收稿日期：2011–11–15；修回日期：2011–12–29 作者简介：郑雪松 (1985—)，河北省秦皇岛市人，硕士，主要从事农药产品开发及技术推广工作。E– mail：zhengxuesong@sinochem.com 通讯作者：苏建亚 (1964—)，男，博士，副教授。研究方向：杀虫剂毒理与抗药性研究。Tel：025–84395269；E–mail：sjy@njau.edu.cn
Abstract: Novel diamide insecticides targeting at ryanodine receptor, which had excellent insecticidal activity and
mammal safety, attracted much attention from research and creation institutes of pesticides. The isoforms, structures, gated characteristics and toxicology of the insecticides targeting at ryanodine receptor were reviewed in this paper. The biological profile of chlorantraniliprole and its effects on insect development, reproduction and feeding behaviour were also discussed.
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文献标识码：A
doi：10.3969/j.issn.1671-5284.2012.03.001
Ryanodine Receptor and Insecticides Targeting at Ryanodine Receptor
ZHENG Xue-song1,2, SHI Li-bo1, RU Li-jun1, SU Jian-ya2* (1. Sinochem Agrochem Domestic Marketing Dept., Shanghai 200336, China; 2. College of Plant Protection, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)
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现 代 农 药
第 11 卷 第 3 期
响方面进行综述。
夹钳是由 7 个 螺旋和 3 个 折叠片 (4、5、6) 组成，分布在结构域 8a、5、9 区。有 8 个 螺旋 在跨膜区和胞浆区之间形成了支柱区，值得注意的 是7 折叠片与这 8 个 螺旋一起链接胞浆区与跨膜 区，3 可能在门控通道内发挥重要作用[18]。引人注 意的还有 2 个铰链结构，一个在结构域 4 附近，另 一个在结构域 3、5、9 附近。
[2Hale Waihona Puke Baidu]
够抑制 RyR1 和 RyR2 的活性， 而低浓度的 CaM 能 够激活 RyR1， 但抑制 RyR2 的活性， 由此也说明了 结构域 3 可能包含了 CaM 激活和抑制通道活性的 2 个位点。以鱼尼丁受体为靶标的杀虫剂直接作用于 鱼尼丁受体而不是附属蛋白。邻甲酰氨基苯甲酰胺 类化合物与鱼尼丁受体的结合位点明显不同于鱼 尼丁和咖啡因，氟虫双酰胺与鱼尼丁受体最大结合 值约是鱼尼丁与鱼尼丁受体结合的 4 倍[24]，由此看 出氟虫双酰胺能与受体的每个单体相结合。
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鱼尼丁受体的结构、功能及其门控特性
在哺乳动物中，鱼尼丁受体存在 3 种同工型
(isoforms)， 分别由 3 种不同基因编码： RyR1、 RyR2 与 RyR3。这 3 种同工型鱼尼丁受体基因具组织表 达特异性，RyR1 主要在肌肉组织中表达，RyR2 主 要在心脏和脑中表达，RyR3 主要在平滑肌和脑中 表达[10-11]，这三者具 65%的同源性[12]，不同哺乳动 物之间 RyR 的同源性为 47%[13]。鱼尼丁受体是目前 发现的最大通道蛋白，其相对分子质量至少为 400 kD。昆虫中，目前仅发现 1 个鱼尼丁受体基因。在 果蝇 Drosophila melanogaster 消化道与神经系统表 达的鱼尼丁受体是一样的，大约包含5 314 个氨基酸 残基，其功能基本相同。系统发育分析表明，昆虫 鱼尼丁受体与哺乳动物的鱼尼丁受体不在 1 个进化 分支上， 而与线虫的 RyR 同在 1 个进化分支上[14-15]。 果蝇鱼尼丁受体与哺乳动物 RyR1、RyR2、RyR3 的 同源性较低，分别为 45%、47%与 46%。 鱼尼丁受体是一种钙致钙离子释放通道，且哺 乳动物 3 种同工型 RyR 对 Ca2+的敏感性是不完全相 同的。RyR2 的激活对 Ca 浓度没有要求，而 Ca 对 RyR1 具有激活和抑制双重作用，低浓度时激活 RyR1， 高浓度时抑制 RyR1， 在高 Ca2+浓度下 RyR1 目前尚无 RyR3 对 Ca2+浓度 的敏感性高于 RyR2[9]， 敏感性的报道。鱼尼丁对兔子 RyR1 和 RyR2 具有 相似的亲和特性，放射性标记鱼尼丁与兔子骨骼肌 RyR 的结合能力是与烟蚜夜蛾 RyR 结合的 3 倍。 尽 管在进化关系上哺乳动物和昆虫鱼尼丁受体的遗 传距离比较远，但其功能具有相似性，即在对鱼尼 丁受体的研究过程中，哺乳动物与昆虫的鱼尼丁受 体具有一致性[14]，因此针对哺乳动物鱼尼丁受体的 研究成果对昆虫鱼尼丁受体具有重要借鉴作用。 1997 年 Montserrat Samso 等对鱼尼丁受体的结 构进行了分析[16]，蛋白质三级结构图 (见图 1) 显示 鱼尼丁受体为同源四聚体，由胞浆区和跨膜区两部 分组成 (见图 2)，在每个单体的胞浆区能够分辨出 36 个 螺旋和 7 个 折叠片。其中 1 个 折叠片紧 密围绕在胞浆区孔道附近，由第 12～565 氨基酸组 成的 3 个 折叠片与电压感受器 T 管紧密相连[17]， 另外 3 个 折叠片存在于胞浆区中心位置：1 区和 2a 区的1 与2 2 个折叠片形成中心膜孔的边缘。结 构域 4 区中的3 折叠片链接夹钳和中心区域。每个
农药研究创制单位关注的热点。对近些年来在鱼尼丁受体的同工型、高级结构、门控特性及以鱼 尼丁受体为靶标药剂毒理学等方面的研究进行了综述，总结了双酰胺类杀虫剂代表药剂氯虫苯甲 酰胺对昆虫的致死效应以及对昆虫生长发育、生殖、取食行为等方面的影响。
关键词：鱼尼丁受体；毒理学；氯虫苯甲酰胺；昆虫行为 中图分类号：TQ 453.2 99
第 11 卷 第 3 期 2012 年 6 月
现 代 农 药 Modern Agrochemicals
Vol.11 No.3 Jun. 2012
专论与综述
鱼尼丁受体及以其为靶标的杀虫剂
郑雪松 1,2，时立波 1，茹李军 1，苏建亚 2*
（1. 中化集团农化中心国内营销部，上海 200336；2. 南京农业大学植物保护学院，南京 210095） 摘要： 以鱼尼丁受体为靶标的双酰胺类杀虫剂由于其较强的杀虫活性和对哺乳动物安全而成为
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以鱼尼丁受体为靶标杀虫剂的毒理学
鱼尼丁受体以其能与鱼尼丁高度亲和而得名。
由于鱼尼丁对哺乳动物毒性高，无选择毒性，限制 了其在农业上的应用。最近开发的双酰胺类杀虫剂 同样作用于鱼尼丁受体这一靶标，作用于害虫后表 现出与鱼尼丁类似的毒理学特征。由于其较强的杀 虫活性和对哺乳动物安全而成为最有发展潜力的新 型杀虫剂。这类药剂中的氯虫苯甲酰胺和氟虫双酰 胺表现出对鳞翅目害虫优异的杀虫活性。氟虫双酰 胺对鳞翅目昆虫非常有效[25-26]， 包括小菜蛾 (Plutella xylostella， LC50 值为 0.004 g/mL)、 甜菜夜蛾 (Spodoptera litura ， LC50 值为 0.19 g/mL) 、茶长卷叶蛾 (Homona magnanima， LC50 值为 0.58 g/mL)、 黑点银
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图1
鱼尼丁受体的结构图
图2
鱼尼丁受体平面示意图
RyR1 的离子通道是由 2 组右手螺旋组成，我 们称之为内部螺旋 (inner helix) 和内部分支 (inner branch)。内部螺旋形成了跨膜孔，而内部分支则主 要存在于胞浆区，直接与胞浆区较远的结构域相 连。跨膜区的内部螺旋与胞浆区的内部分支沿着四 聚体轴心形成了 3 个主要的缢痕，从胞浆区 (cytoplasmic domains) 面观测，上面的缢痕是由内部分 支组成的，内部分支和内部螺旋的交点位置形成了 离子通道门 (ion gate)——也就是第 2 个缢痕。 具有 离子选择性的第 3 个缢痕由孔道螺旋组成并形成肌 浆网腔管连接肌浆网。第 2、第 3 个缢痕间形成了 1 个空腔 (vestibule)[19](见图 2)。 当胞浆区每个角都向外翻转，夹钳的角 (9、10