来自苏云金芽孢杆菌的 Vip1–Vip2 杀虫毒素的组装与转位的结构基础

保护作物免受食根幼虫的新方法

全球农民依赖有益细菌来防止害虫毁坏庄稼。苏云金芽孢杆菌就是这样一种盟友，它产生的蛋白质被广泛用于生物杀虫剂喷雾和转基因作物。但随着昆虫不断进化出抗性，我们迫切需要新工具。本研究揭示了该菌一对强效蛋白——Vip1 与 Vip2——如何组装并在昆虫细胞上打出微小孔洞，并表明该系统可被改造为一种安全的蛋白质传递通道。

一种友好细菌如何对抗作物害虫

苏云金芽孢杆菌产生多类杀虫蛋白。大多数商业制品使用称为 Cry 的单体毒素，这类毒素非常成功，因此许多昆虫已在进化出规避策略。另一类称为 Vip 毒素，由 Vip1 和 Vip2 这对蛋白组成，它们对顽固的甲虫若虫（如以啃食植物根系而著称的白蚁幼虫）具有很高的活性。与单体毒素不同，Vip1 与 Vip2 协同工作：Vip1 在昆虫肠道细胞形成通道，Vip2 则通过该通道进入细胞并破坏细胞骨架。然而，到目前为止，科学家尚未详细了解该通道如何形成以及 Vip2 如何穿过细胞膜。

揭示毒素门径的形态

研究人员利用冷冻电子显微镜（将分子冻结在薄冰中并以近原子分辨率成像），捕捉到了 Vip1 “孔道” 的三维结构：由七个相同单元组成的环状结构，形似带长柄的漏斗。他们发现当昆虫肠道酶切割 Vip1 蛋白时，一段柔性环突转变为刚性管，形成可跨越细胞膜的狭窄通道。该漏斗的开口处设有多个检查点，有助于识别配对蛋白 Vip2，而长柄部分则构成平滑的隧道。该隧道的内表面高度亲水，这一点与许多含疏水/亲水混合表面的细菌孔道明显不同。

观察货物被穿过孔道

团队进一步研究了 Vip2 如何结合并通过 Vip1 孔道。他们发现 Vip2 在漏斗的宽口处停靠，并通过一系列接触与七个 Vip1 单元中的四个发生相互作用。Vip2 上的一段短环充当锚点，而其前端开始展开并朝向由芳香族氨基酸形成的紧窄环（称为夹持环）移动。通过在不同化学条件下采集图像，研究人员捕获到了部分复合体的快照，其中 Vip1 环仅有四个或五个亚基与单个 Vip2 分子结合。比较这些快照表明，孔道与毒素逐步组装，Vip2 在被拉入隧道更深处时会旋转并解缠，通过夹持环被牵引并穿入细胞。

为何“湿润”的隧道比精确序列更重要

为测试隧道功能所需的关键特性，科学家们改变了构成孔道内壁的特定残基。将带电残基替换为其他亲水残基几乎不影响杀虫效果，但将多处亲水位点改为疏水残基则显著降低了对幼虫肠道的损伤。对处理后甲虫幼虫的显微观察证实，改变后的孔道导致的组织破坏明显减少。这些实验表明，真正重要的是隧道保持高度亲水性，而不是氨基酸的精确序列。换句话说，一旦像 Vip2 这样的蛋白被展开，孔道就能在很大程度上不顾其精细组成地帮助其滑动通过。

将昆虫武器转为蛋白质递送工具

鉴于 Vip1 隧道以序列无关的方式搬运未折叠蛋白，作者考察了它是否能携带其他货物。他们将绿色荧光蛋白（GFP，一种常用的实验室标记）与 Vip2 融合，证明 Vip1 孔道能够将这一笨重的融合蛋白递送进入来源于甲虫的细胞。一个更小的版本——仅保留 Vip2 的前端“引导”结构、并用 GFP 替代毒性部分——进入细胞的效率更高。这意味着引导结构可作为地址标签，将几乎任何附着的蛋白质带到孔道以便转运入细胞。

这对未来害虫防控及其它领域的意义

对非专业读者而言，主要结论是：科学家已经解明了一种双组分细菌毒素如何在昆虫细胞上打出受控孔洞，并利用一个平滑、亲水的隧道将其配对蛋白拉入细胞。因为该隧道更看重通用的亲水特性而非精确序列，它也可以充当向非毒性蛋白传递的多功能门户。这为设计结合定制靶向域与选定货物蛋白的新型生物杀虫剂打开了大门，对抗抗性害虫提供新选择，并为研究影响人类的类似毒素提供了安全的模型系统。

引用: Zhao, T., Wang, Z., Ren, J. et al. Structural basis for the assembly and translocation of the Vip1-Vip2 insecticidal toxin from Bacillus thuringiensis. Nat Commun 17, 4591 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71211-7

关键词: 苏云金芽孢杆菌, Vip1 Vip2 毒素, 生物杀虫剂, 蛋白质转位, 抗虫害