靶向昆虫烟碱乙酰胆碱受体的C-25型苦木素作用机制与其杀虫功能导向的理性设计

Insect nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are molecular targets of insecticides widely expressed in the central nervous system. Neonicotinoid insecticides are highly selective agonists of insect nAChRs and supply farmers with invaluable, highly effective tools against some of the world’s most destructive crop pests. This class of insecticides comprises a market share of more than 25% of total global insecticide sales. Their popularity has imposed a mounting selection pressure for resistance, along with the unexpected harmful effects to beneficial insects. Thus, it is urgent to search more promising candidates focusing on major and ubiquitous nAChRs target for insecticide action. Valuable inspirations could be provided from our previous work on the C-25 quassinoids as novel lead compounds for pesticides in this challenging field, which exhibited notable biological properties, including insecticidal activity against Aphis medicaginis Koch and antagonist activity at the nAChRs of Drosophila melanogaster (with Kd value approximating that of the positive reference imidacloprid). We propose to further investigate these quassinoids through the combinational methods of photoaffinity probes, click chemistry, and SWATH mass spectrometry, with the aim to study the relating mechanisms within the exact acting-sites of the monomers. Derived from the natural products, their analogues with modified structures such as ring conjugate systems, different substituted chain lengths, or simplified motifs will be prepared, to find the relation between the chemical structure and the activity of the compounds of this series by detailed assays evaluating their corresponding activities. Such information should be useful for designing and synthesizing novel derivatives as potential insecticides.

昆虫烟碱乙酰胆碱受体广泛分布于昆虫中枢神经系统，是重要的杀虫剂作用靶标，如靶向该受体的新烟碱类杀虫剂，因其高效广谱的杀虫效果，占据了全球25%以上的销售份额。但近年来，随着抗性害虫的出现以及对益虫的误杀等问题，寻找和发现结构新颖、选择性更强的靶向该受体的先导化合物变得日益紧迫。前期，我们从苦木科植物牛筋果中分离得到具有杀虫活性的新骨架C-25型苦木素，细胞水平的电生理实验显示，它对模式生物黑腹果蝇该受体有强烈的抑制活性，解离常数与吡虫啉相当，但它们对受体亚型选择性及相应的结合位点并不清楚。因此，本申请拟采用光亲和标记、点击化学以及SWATH技术联用的方法，通过合成小分子探针，定量分析蛋白差异，阐明其作用靶标、位点及机制；通过构建活性筛选库，研究构效关系，优化药效团模型，探讨以该受体为靶标构建新型活性先导物的可行性。本申请项目研究对发现和发展新型的、更具应用前景的杀虫先导化合物具有重要的意义

苦木素是苦木科植物特征性代表成分，具有抗肿瘤、抗疟、抗炎、拒食和杀虫等生物活性，我们对苦木科植物牛筋果小枝的化学成分进行了系统的研究，从中分离得到50个化合物，其中10个为新化合物。主要的结构类型包括C-25型、C-20型以及C-19型苦木素，以及柠檬苦素等，并富集了高抗虫活性的Perforalactone C单体1.2 克。针对其抗蚜虫活性进行了构效关系评价，发现去除五元内酯环的C20苦木素与C25型相比，活性相当，表明内酯环部位可以作为探针的接入部位。目前已实现了光敏探针的合成，其抗虫机制研究正在进行中。此外，我们采用化学改造的方法，对不同结构类型的苦木素进行了沟通，提出了C-25 转化为C-20 的新方式。通过合作研究，我们探索了牛筋果中化合物对阿尔兹海默症（AD）的活性，发现了两类活性物质----柠檬苦素和C19型苦木素。其中，具有7/6/6/6/5环系的柠檬苦素类骨架的Harpertrioate A，其结构最终通过X-ray单晶衍射实验进行了确认。采用蛋白免疫印迹技术、酶联免疫吸附试验以及细胞转录组测序分析进行系统研究发现，该化合物可多靶点起作用。它不仅可抑制β-分泌酶（BACE1）蛋白的合成，还可促进α-分泌酶亚基编码基因如ADAM10、ADAM9和ADAM17的转录与翻译，从而使得APP向非淀粉样途径转化。其抑制Aβ生成的活性与阳性对照吉非罗齐相当。这是首次发现柠檬苦素类化合物具有抗AD 活性，为新型AD药物的研发探索提供了新思路。该成果以封面文章发表在Organic Letters上，受到X-mol 的热点推荐，化合物申请了专利保护。此外，我们围绕这个化合物，开展了化学全合成工作，目前已完成关键生源前体的化学合成。在项目执行过程中，发表论文6篇，申请专利一项，毕业学生两名（硕士博士各一名）。