理解Bt棉花中Cry蛋白对抗粉红棉铃虫（Pectinophora gossypiella）的作用：寄主-昆虫互作与动态关系视角下对突变钙粘蛋白（cadherin）与ATP结合盒（ABC）转运蛋白的分子互作洞察

《Journal of Cotton Research》：Understanding the role of Cry proteins in Bt Cotton against pink bollworm (Pectinophora gossypiella): insights into host-insect interactions and dynamics

　　

粉红棉铃虫（Pectinophora gossypiella）是全球棉花最具破坏性的害虫之一，造成显著产量损失与经济损害。部署表达苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis，Bt）杀虫蛋白的Bt棉花，包括Bollgard I（BG-I）中的Cry1Ac与Bollgard II（BG-II）中的Cry1Ac+Cry2Ab，初期可有效控制该害虫。然而对Cry1Ac与Cry2Ab的抗性进化已显著降低Bt棉花效力。既往研究提示ATP结合盒（ABC）转运蛋白与突变钙粘蛋白（cadherin）通过 altered Bt毒素互作与解毒机制介导抗性。尽管cadherin与ABC转运蛋白参与的抗性机制已有报道，但Cry1Ac、Cry2Ab与Cry2Ad与这些受体蛋白在粉红棉铃虫中的比较结构互作仍不清楚。本研究旨在利用计算建模、分子对接与分子动力学模拟，探究Cry1Ac、Cry2Ab与Cry2Ad与粉红棉铃虫突变钙粘蛋白（PgMutCad）及ATP结合盒转运蛋白（PgABC）的分子互作。蛋白质结构经同源建模与从头预测获得。分子对接与模拟分析揭示Cry蛋白与抗性相关靶标间存在不同互作模式。所评估毒素中，Cry2Ab与Cry2Ad对PgMutCad与PgABC表现出更强结合亲和力、结构稳定性、更有利结合能学及持续氢键互作；这些毒素-受体复合物在模拟中维持紧凑构象，表明稳定而强健的互作。相比之下Cry1Ac与抗性相关蛋白互作较弱。该研究为粉红棉铃虫对Bt毒素抗性的分子基础提供新见解，凸显突变钙粘蛋白与ABC转运蛋白的关键作用。Cry2Ab与Cry2Ad观察到的强而稳定互作提示这些毒素变体是开发下一代Bt棉花与改进害虫管理策略的有前景候选。尽管发现基于计算分析且需实验验证，其为合理设计新型Bt毒素与抗性管理途径提供结构框架，以维持转基因棉花对该害虫的长期效力。

研究背景方面，棉花（Gossypium spp.）作为重要经济作物受粉红棉铃虫（Pectinophora gossypiella）严重危害，Bt棉花（BG-I表达Cry1Ac，BG-II表达Cry1Ac+Cry2Ab）初期防控有效，但田间对Cry1Ac与Cry2Ab的抗性进化导致防效下降。已知抗性关联突变主要位于钙粘蛋白基因PgCad1（影响Cry1Ac结合）与ABC转运蛋白基因PgABCA2（影响Cry2Ab敏感性），但Cry1Ac、Cry2Ab、Cry2Ad与突变受体PgMutCad及PgABC的比较结构互作尚未系统评估。研究人员因此开展计算结构生物学研究，旨在为下一代毒素设计与抗性管理提供框架。论文发表于《Journal of Cotton Research》。

关键技术方法上，研究人员从NCBI获取Cry1Ac（ACV81775.1）、Cry2Ab（QGY72669.1）、Cry2Ad（ABJ90464.1）、PgABC（XP_049875054.1）、PgMutCad（AIA80593.1）序列；Cry蛋白用SWISS-MODEL同源建模，PgABC用I-TASSER从头预测，PgMutCad用AlphaFold预测，经QMEAN、pLDDT、ERRAT、PROCHECK验证；用GROMACS（OPLS-AA力场，SPC/E水模型）进行100 ns分子动力学模拟（MDS）；用HADDOCK与HDOCK做蛋白-蛋白对接，PyMOL与LigPlot分析界面氢键、疏水接触、盐桥；样本无实验生物材料，均为计算序列来源。

研究结果部分保留小标题简述如下。Sequence and domain data collection：BLAST与CD-Search分析显示Cry1Ac具Endotoxin_M等四域，Cry2Ab/Cry2Ad具Endotoxin_N+mid两域；PgMutCad含四个cadherin重复域（128–521位），PgABC含ATP结合基序（62–69位）与ABC特征基序（153–167位）。Three-dimensional structural modelling and validation：Cry蛋白GMQE 0.89–0.94，PgABC的C-score ?0.31、TM-score 0.67±0.13，PgMutCad的pTM 0.64；Ramachandran最适区占比Cry1Ac 82.5%、Cry2Ab 78.0%、Cry2Ad 80.1%、PgABC 76.5%、PgMutCad 59.1%。MD simulations of modelled proteins：Cry2Ab最稳（RMSD 0.2–0.3 nm，Rg 2.0–2.2 nm），Cry1Ac波动最大（RMSD~0.9 nm，Rg 3.7–3.9 nm）；PgMutCad比PgABC柔性更高。Interactions of Cry proteins with PgABC and PgMutCad：HADDOCK显示Cry2Ab-PgABC ΔG ?17.4 kcal·mol^?1，Cry2Ad-PgABC ?15.9，Cry1Ac-PgABC ?12.0；Cry2Ab-PgMutCad ΔG ?16.4（埋表面积3595 ?²），Cry2Ad-PgMutCad ?12.8（RMSD最低1.5 ?），Cry1Ac-PgMutCad ?12.4；保守互作残基包括PgABC/PgMutCad的R431、D504、T416/L418及Cry侧R58/Q56/N52（Cry1Ac）、R53/N44（Cry2Ab）、Y51/E55（Cry2Ad）。Molecular dynamics simulations of P-P complexes：Cry2Ad-PgABC最紧凑（Rg 3.5–3.7 nm，氢键9–22），Cry2Ab-PgABC靠紧密度稳（RMSD 0.5–1.0 nm）；Cry2Ad-PgMutCad氢键数最高（5–20）且RMSD 1.5–2.0 nm，为PgMutCad最强结合者；Cry1Ac两组复合物均高溶剂暴露（SASA~500–600 nm²）且稳定性差。Interactions between complexes after MD simulation：MD后Cry2Ab/Cry2Ad保留与R431、D421–D425、470–475环的氢键，Cry1Ac虽存R58-D425键但整体界面弱。

讨论部分总结：研究人员指出同源建模与对接不能替代实验，Cry毒素活性还需膜互作、寡聚化与BBMV结合验证；Cry2Ab/Cry2Ad主要关联ABCA2而非cadherin（Fabrick等CRISPR证据），本文PgMutCad互作可能反映残余非功能结合。Cry2Ab凭强静电稳合PgABC/PgMutCad，Cry2Ad凭紧密度与界面填充平衡，Cry1Ac始终弱且多变。Cadherin突变（r15转座子插入、r14重复5突变）致mis-splicing或定位异常，解释Cry1Ac失效。结论部分翻译如下：该研究为粉红棉铃虫对Bt毒素抗性的分子基础提供新见解，凸显突变钙粘蛋白与ATP结合盒转运蛋白的关键角色。Cry2Ab与Cry2Ad观测到的强而稳定互作提示这些毒素变体是开发下一代Bt棉花与改进害虫管理策略的有前景候选。尽管发现基于计算分析且需实验验证，其为合理设计新型Bt毒素与抗性管理途径提供结构框架，以维持转基因棉花对该害虫长期效力。