昆虫嗅觉相关蛋白的结构和功能

odorant binding proteins 1，GOBP1） 和普通 气 味 剂 结 合 蛋 白 2 （ general odorant binding proteins 2， GOBP2） ，其中 后 两 者 可 统 称 为 普 通 气 味 剂 结 合 蛋 白 （ general odorant binding proteins，GOBPs ）［2］. 这
Abstract Insects have developed complicated olfaction systems during the long evolution progress. As the important components of insect olfaction systems，odorant binding proteins （ OBPs ） and olfactory receptors （ ORs） mainly combine with the volatility signal molecule in the periphery and transfer the signal to the second messenger. The structure，function，expression and evolution of OBPs and ORs are important to study the relationship between insect behavior and evolution. This paper summarizes the lately research progress of OBPs and ORs， including the characteristics of structure， physiological function，gene expression，genetics and evolution. The current of OBPs and ORs research was also discussed in this paper，which may provide reference for the research of olfaction systems and finding new approaches of defending pests. Key words odorant binding proteins； olfactory receptor； structure； function； evolution
性球蛋白质，由 120 ～ 150 个 氨 基 酸 组 成，二 级 结 构 由 6 个 α 螺旋构成多维 二 聚 体，往 往 有 翻 译 后 修 饰 的现象［4］，配体结合点位于 α 螺旋结构中. 1. 1. 2 OBPs 的结合态与非结合态结构 近年来研 究表明，昆虫 OBPs 存在结 合 态 与 非 结 合 态 之 别［5］. 非结合态蛋白其分 子 组 成、氨 基 酸 特 征 与 结 合 态 蛋 白存在显著区别［6］. 以家蚕（ Bombyx mori） 的 信 息 素 结合蛋白 BmorPBP 为例，其与蚕蛾醇结 合 的 蛋 白 和 非结合态蛋白之间存在 3 个主要的区别：（1） 结合 态蛋白具有不规则的 C 末端，而非结合态蛋白具有 不规则的 N 末端；（2 ） 非结 合 态蛋 白 的 α3 和 α4 之 间的松散区域更长；（3） 非结合态蛋白的 C 末端形 成了第 7 个 α 螺 旋，此 螺 旋 填 充 了 蛋 白 的 结 合 口 袋. 如 Fig. 1 所示，其中非结合态 的 PBPs 用 A-form 表示.
Cys 残基暴露在溶 剂 中. C2 一 般 处 在 Gly 残 基 的 旁 边，这样就为亲核 反 应 提 供 了 空 间 和 弹 性. 另 外，二 硫键 的 结 构 也 受 电 子 相 互 作 用 的 影 响. 研 究 C5 及 其上游的保守 Asp 的数据得出，当降解剂作用于 C2 时，C5 可以被周 围 的 氨 基 酸 所 稳 定，这 一 过 程 是 通 过 Asp 向 C5 的 硫 原 子 传 递 电 子 来 实 现 的，此 过 程 形成了 离 去 基 团，如 Fig. 2 所 示［9］. 这 可 以 解 释 为 什么有些种类 昆 虫 的 OBPs 只 含 有 4 个 保 守 的 Cys 残基. 由此也可以推测，一般情况下只有第 2 个二硫 键 参 加 反 应［10 ］. 1. 1. 4 OBPs 结构对 pH 的依赖性 近年来许多研 究结果均证实，昆虫 OBPs 的结构对 pH 有一定的依 赖性，这 在 PBPs 中 尤 其 突 出. BmorPBP 在 高 pH 和
ISSN 1007-7626 CN 11-3870 / Q
·综述·
中国生物化学与分子生物学报 Chinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology
2010 年 6 月 26（6） ：531 ～ 537
昆虫嗅觉相关蛋白的结构和功能
任珍珍， 柳晓磊， 胡美英*
OBPs 和 ORs 是当前国内外昆虫与环境化学通 讯 研 究 中 最 重 要 的 组 成 部 分 ，特 别 是 随 着 化 学 、分 子 生物学等 多 种 研 究 手 段 的 综 合 运 用，近 几 年 OBPs 和 ORs 研究取得了重要成果.
1 与嗅觉相关的胞外蛋白
1. 1 昆虫 OBPs 的结构特点 1. 1. 1 昆虫 OBPs 一般结构 昆虫 OBPs 有许多共 同结构 特 点，如 一 般 为 分 子 质 量 15 ～ 17 kD 的 水 溶
1. 1. 3 OBPs 的 二 硫 键 结 构 虽 然 不 同 昆 虫 间 OBPs 序列相似性较低，但普遍存在 6 个保守的半胱 氨酸位点并形成 3 个 相 互 交 联 的 二 硫 键［7］. 化 学 降 解 和 酶 降 解 实 验 证 明，OBPs 的 二 硫 键 是 成 对 出 现［8］，对 OBPs 的结构起到 了 加 固 作 用. 如 BmorPBP 中 Csy19-Csy54 之 间 的 二 硫 键 连 接 α 螺 旋 1 和 3， Csy50-Csy108 之 间 的 二 硫 键 连 接 α 螺 旋 3 和 6， Csy97-Csy117 之间的二硫键链接 α 螺旋 5 和 6［5］.
昆 虫 生 长 、发 育 、捕 食 、繁 殖 、进 化 的 过 程 也 就 是 与寄主植物和外界环境进行信息交换的过程. 此过 程的完成依赖于昆 虫 体 内 种 类 繁 多 的 蛋 白，包 括 气 味剂结合 蛋 白 （ odorant binding proteins，OBPs） 、化 学感受蛋 白 （ chemosensory proteins，CSPs） 、嗅 觉 受 体 （ olfactory receptors，ORs ） 、感 觉 神 经 元 膜 蛋 白 （ sensory neuron membrane protein，SNMP ） 、气 味 降 解酶（ odor degrading enzymes，ODEs） 等. 其中，OBPs 是一类小分子质量 的 可 溶 性 蛋 白，在 昆 虫 神 经 系 统 的外围承担转导化 学 信 号 的 作 用［1］，主 要 作 用 是 结 合挥发性的信号物 质，并 具 有 较 强 的 功 能 和 组 织 分 布特异性. 根据 N 末端序列分析结果，将 OBPs 分为 3 个 亚 家 族： 信 息 素 结 合 蛋 白 （ pheromone binding proteins，PBPs ） 、普 通 气 味 剂 结 合 蛋 白 1 （ general
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中国生物化学与分子生物学报
第 26 卷
些蛋白溶解并运输 植 物 和 捕 食 者 等 发 出 的 气 味，穿 过触角感器中亲水 性 的 淋 巴 液 到 达 嗅 觉 受 体，引 起 昆虫的行为反 应. 嗅 觉 受 体 ORs 是 G 蛋 白 耦 联 受 体（ G protein-coupled receptor） . ORs 可 以 分 为 典 型 气味受 体 和 Or83b 非 典 型 受 体 （ 或 者 称 为 辅 助 受 体） 两类［3］.
昆虫 OBPs 的 3 个 二 硫 键 中，每 个 二 硫 键 的 反 应性各不相同. 研 究 发 现，第 2 个 二 硫 键 最 易 水 解. C2-C5 二硫键易降解的原因是因为二硫键的亲核反 应是由 2 个因素决定的：原子的空间排列和电子相 互作用. 第 2 个 二 硫 键 处 于 蛋 白 质 的 表 面，侧 链 的
Fig. 1 Structures of bombykol-bound and A-form Bombyx mori PBP［6］ BmorPBP is shown in green ribbons， bombykol as sticks with red alcohol oxygen atom，disulfide bridges in yellow，and the loop region between α3 and α4 in red. N is the N-terminus，C is the C-terminus，and helices α1 ～ α7 as labeled. （ A ） X-ray crystal structure of the BmorPBP-bombykol complex at 0. 18 nm resolution （ Protein Database： 1DQE） ； （ B） NMR structure of A-form BmorPBP （ Protein Database： 1GM0）
收稿日期： 2009-12 -25 ； 接受日期：2010-03-29 国家自然科学基金（ No. 30871660） 和教育部高等学校博士学科点专 项科研基金（ No. 20094404110019） 项目资助 * 联系人 Tel：020 -85280308 ； E-mail： humy@ scau. edu. cn Received： December 25 ，2009 ； Accepted： March 29，2010 Supported by National Natural Science Foundation of China （ No. 30871660） and Doctor Subject Foundation of the Ministry of Education of China （ No. 20094404110019） * Corresponding author Tel： 020 -85280308 ； E-mail： humy@ scau. edu. cn
Structure and Function of Insect Olfactory Proteins
REN Zhen-Zhen，LIU Xiao-Lei，HU Mei-Ying*
（ Laboratory of Insect Toxicology，South China Agricultural University，Guangzhou 510642 ，China）
（ 华南农业大学昆虫毒理研究室，广州 510642 ）
摘要 昆 虫 在 长 期 进 化 的 过 程 中 形 成 了 复 杂 的 嗅 觉 系 统，气 味 剂 结 合 蛋 白 （ odorant binding proteins，OBPs） 、嗅觉受体（ olfactory receptors，ORs） 是其最主要的组分. 其主要 作 用 是 结 合 外 围 挥 发性的气味分子并将信号传递给细胞内的第二信使. OBPs 和 ORs 的结构、功能、表达、进 化 是 昆 虫 行为与进化关系的重要研究领域和研究热点. 本文主要总结了近年来昆虫 OBPs 和 ORs 的结构特 点、生理功能、表达特点、遗传 进 化 等 方 面 研 究 的 最 新 进 展，对 OBPs 和 ORs 的 研 究 趋 势 进 行 了 展 望，为昆虫嗅觉系统进化研究及寻找害虫防治新途径提供参考信息 . 关键词 气味剂结合蛋白； 嗅觉受体； 结构； 功能； 进化 中图分类号 Q513；Q965