异翅目昆虫气味结合蛋白与化学感受蛋白的基因组学特征及其在杀虫剂抗性中的作用机制研究

本研究针对南美锥虫病主要媒介Triatoma infestans对拟除虫菊酯类杀虫剂产生抗性的问题，通过比较基因组学分析了5种异翅目昆虫的化学感受蛋白(CSP)和气味结合蛋白(OBP)家族特征。研究发现T. infestans基因组含有26个CSP和49个OBP基因，其中多个蛋白与杀虫剂结合能力显著，揭示了这些蛋白家族在杀虫剂耐受和化学感受中的双重作用，为开发新型病媒控制策略提供了分子靶点。

　　

在拉丁美洲的广袤土地上，一种名为Triatoma infestans的接吻蝽正悄然传播着致命的恰加斯病。这种昆虫作为克氏锥虫(Trypanosoma cruzi)的主要传播媒介，每年导致约700万人感染。自20世纪80年代以来，拟除虫菊酯类杀虫剂一直是控制病媒种群的主要武器，但近年来在阿根廷大查科地区监测到的高抗性种群让防控工作陷入困境。传统认知中，昆虫对杀虫剂的抗性主要源于靶位点突变、代谢解毒增强或表皮穿透降低等机制。然而，随着基因组学研究的深入，科学家们发现气味结合蛋白(Odorant-binding proteins, OBPs)和化学感受蛋白(Chemosensory proteins, CSPs)可能通过"劫持"杀虫剂分子这一全新机制参与抗性形成——这些原本负责化学信号传导的小分子蛋白，竟能像海绵一样吸附毒素，阻止其抵达作用靶点。

为揭示这一现象背后的分子奥秘，Mariano Volonté等研究者开展了一项跨越7种半翅目昆虫的系统研究。团队采用比较基因组学策略，首先对5种不同食性异翅目昆虫(Cimex lectularius、Halyomorpha halys等)的CSP和OBP基因模型进行人工校正，继而以此为基础挖掘T. infestans基因组数据。通过整合系统发育分析、组织特异性表达谱和分子对接模拟三大技术手段，不仅首次绘制出该物种完整的化学感受分子图谱，更发现多个可能参与杀虫剂解毒的关键蛋白。这项发表在《BMC Genomics》的重要成果，为理解病媒昆虫适应性进化提供了全新视角。

研究团队运用多组学联用策略展开攻关：基于PFAM结构域进行同源基因挖掘，使用MAFFT和IQ-TREE构建系统发育树，通过Modeller 9.25和AutoDock Vina完成蛋白建模与分子对接，并利用公共转录组数据（包括阿根廷、玻利维亚等不同地理种群）分析基因表达模式。特别值得注意的是，针对尚未注释的T. infestans基因组(GCA_011037195.1)，研究者创新性地采用Fgenesh+工具重建了75个CSP和OBP基因模型。

【CSP和OBP编码基因在异翅目基因组中的特征】

研究揭示了半翅目昆虫CSP/OBP家族的显著多样性：捕食性Orius laevigatus含17个CSP和34个OBP，而植食性Halyomorpha halys则拥有23个CSP和68个OBP。在T. infestans中鉴定到的26个CSP和49个OBP中，包括10个仅存在于转录组的"隐藏成员"。引人注目的是，研究者首次在非双翅目昆虫中发现双结构域OBP的存在——这类由两个经典OBP结构域融合而成的特殊蛋白，在Nezara viridula、O. laevigatus和Nilaparvata lugens中各发现1个，暗示该结构可能在不同目昆虫中独立进化多次。

【系统发育分析揭示食性相关进化分支】

通过构建包含7种半翅目、按蚊和果蝇的进化树，研究发现了多个与生态位相关的蛋白聚类：两个由锥蝽特异性组成的CSP分支（分别含8个和5个成员）中，TinfCSP21已被证实受溴氰菊酯调控；而由植食性蝽类组成的CSP分支则提示其可能参与植物次生物质解毒。在OBP家族中，TinfOBP45等9个成员构成了罕见的"减C"亚型（缺失两个保守半胱氨酸），这类在多数半翅目中稀缺的蛋白，可能在性信息素识别中具有特殊作用。

【唾液腺与触角转录组揭示功能分化】

组织表达谱呈现出清晰的"岗位分工"：TinfCSP4等蛋白在唾液腺高表达，暗示其参与血液食物中异源物质的解毒；而TinfOBP32等触角特异性表达的成员则更可能专职化学通讯。特别值得关注的是在唾液腺中独显的TinfOBP45，其与溴氰菊酯的对接能达-10.22 kcal·mol^-1，这种"双高"特性（高结合力+高组织特异性）使其成为抗性研究的重点候选。

【分子对接揭示杀虫剂劫持热点】

对接实验显示T. infestans CSP对溴氰菊酯的平均结合能(-8.57±0.27 kcal·mol^-1)显著高于有机磷类马拉硫磷(-5.38±0.09 kcal·mol^-1)。其中TinfCSP19对溴氰菊酯的结合能达-11.00 kcal·mol^-1，其结合口袋能完美容纳该分子的氰基苯环；而TinfOBP16则对氟虫腈展现出-9.83 kcal·mol^-1的强亲和力。这些结构数据为解释田间观察到的拟除虫菊酯抗性现象提供了分子基础。

这项研究首次绘制了半翅目昆虫化学感受系统的完整基因组图谱，突破了传统认为OBP/CSP仅参与化学通讯的认知框架。发现的多个杀虫剂高亲和力蛋白，不仅解释了为何在靶位点突变频率相同的种群中会出现抗性差异，更启示未来可通过设计这些"分子海绵"的抑制剂来恢复杀虫剂敏感性。从公共卫生角度看，研究揭示的T. infestans特异性基因扩张现象，为开发物种特异性防控策略提供了新思路。正如作者强调的，在抗性治理中应当同时关注"杀虫剂-靶标互作"和"杀虫剂-载体蛋白互作"双重维度，这种全链条视角或将重塑热带病媒介控制的技术路线。