基于靶酶OfHex1的抑制剂分子设计合成与活性研究

Biorational design and synthesis of novel pesticides based on particular target sites is one of the major field and first topic in the Medium-Long Term Development Planning of Science and Technology in China. Based on our previous works and the newest insights to the detailed molecular structure of β-N-Acetyl-D-hexosaminidase OfHex1 as well as the structure of reported selective inhibitor TMG, we designed.series of novel, synthetic feasible molecular library of heterocyclic TMG-glycoside inhibitors targeting OfHex1-the enzyme from the Asian corn borer Ostrinia furnacalis (one of the most destructive pests).These potential molecules were elaborated according to the enzyme catalytic biochemical reaction、the atomic structure of catalytic substrate 、in combination with the selective molecular mechanism of the reported TMG-inhibitor. The molecular structures will be optimized for finding highly efficiency OfHex1 selective inhibitors during the course of systematic investigation of molecular docking virtual screening study, synthesis of the compounds, and screening of the enzyme inhibitory as well as pesticide activity of the inhibitors. The project wil build up a biorational design method for the OfHex1 inhibitor discovery for the first.time, and provide a new solution to the bottleneck of information deficiency of pesticide target in the development of biorational design. The results of the research will be of guiding significance to the research and development of the highly selective pesticides in our country.

基于特有靶标定向生物合理设计开展新农药研究是我国中长期科学与技术发展规划中的重点领域和优先主题。课题在前期研究基础上，结合昆虫几丁质降解β-N-乙酰己糖胺酶及其抑制剂最新研究成果，以亚洲玉米螟OfHex1为靶标，根据其催化生化反应、底物结构及选择性天然产物抑制剂TMG的结构及选择性机理，针对酶的“-1”催化域和“+1”结合域的生化功能和结构特征，以底物类似物抑制剂为设计理念，设计多系列结构新颖、合成可行的TMG-杂环抑制剂分子库，通过酶与抑制剂分子对接虚拟筛选、合成、活性测定、构效关系研究指导下的结构优化，发现高效的OfHex1酶选择性抑制剂。课题关注抑制剂分子对靶标OfHex1的高效性、选择性及其结构在合成上的可行性，为解决新农药创制中，制约生物合理设计发展的靶标缺乏问题提供一条新途径，对研究开发具有高选择性的新农药具有重要的指导意义。

课题以昆虫亚洲玉米螟β-N-乙酰己糖胺酶OfHex1为靶标，根据靶酶结构和催化机制，开展新颖糖基杂环伪糖苷靶向抑制的新农药研究工作。.首先基于计算化学建立多个β-N-乙酰氨基己糖胺酶虚拟筛选模型，在分子水平研究阐明抑制剂结构、活性、选择性成因，指导靶向抑制剂的结构优选和活性机理研究，提高课题分子设计的高效性；同时针对β-N-乙酰己糖胺酶的裂解机制，设计合成含萘酰亚胺的β-N-乙酰己糖胺酶荧光底物探针，建立高效、可视的化合物酶抑制活性筛选方法。在此基础上，课题经过“分子设计-活性研究-构效关系-结构优化”的循环，完成糖基杂环伪糖苷（N、S苷等）200多个目标化合物的合成与结构优化；对合成路线、反应条件进行系统优化，所有化合物均经过MS、1H-NMR、13C-NMR、HRMS波谱等手段确证；测定化合物对不同家族（GH3、GH20和GH84）靶酶的抑制活性，并研究阐明其活性和选择性机理，并对目标化合物开展杀虫活性测定与构效关系研究。.课题发现一批高效、高选择性的糖基杂环硫苷β-N-乙酰己糖胺酶抑制剂结构，包括OfHex1一级先导CAUZS-A11（Ki = 16.3 μM）、CAUZS-D5（Ki = 22.4 μM）、CAUZS-D6（Ki = 21.8 μM）和二级先导CAUZS-F18（Ki = 5.3 μM）和CAUZS-F25（Ki = 2.7 μM），F18和F25同时具备高选择性（二者对同家族HsHexB、hOGA酶的IC50> 90 μM）；活体杀虫活性研究表明，F25对桃蚜、小菜蛾等表现出优秀的杀虫活性，高于商品药氟铃脲，具有潜在应用研究价值。此外，课题还发现两个纳摩尔级别的hOGA选择性抑制剂G18（Ki = 0.6 μM）和H1（Ki = 0.6 μM），由于hOGA在II型糖尿病、癌症、阿尔兹海默症等多种人类重大疾病中的重要作用，这一研究结果为hOGA靶向新药研究指出了新方向。.课题完成预期研究目标，研究结果为开展基于几丁质降解靶向抑制剂的合理设计在酶生物学、计算化学、合成化学及农药活性测定等方面奠定了坚实的基础，对基于靶标的新农药创制具有重要的指导意义。