基于多尺度模拟技术开展昆虫β-N-乙酰己糖胺酶抑制剂的合理设计、合成与活性研究

On the basis of our previous study, an important chitinolytic enzymes GH20 β-N-acetyl-D-hexosaminidases (OfHex1) from the insect ostrinia furnacalis will be used in the virtual screening study, combined with pharmacophore, molecular docking and QSAR multilevel methods and MM-MD, QM/MM-MD multiscale protocol. And selected synthesis of screening compounds by the combination of common skeleton and fragments, and the biological activity validation will be carried out. The aim is to find one or two OfHex1 lead compounds with high activity and novel structure. The whole research will carry on the cross-cooperation of computational chemistry, organic chemistry, pesticides and molecular biology and will give the theoretical guidance on the discovery of novel OfHex1 inhibitors and provide the new strategy to design novel pesticides based on the computer-aided drug design.

在前期研究基础上，针对亚洲玉米螟几丁质降解过程中的重要靶标GH20家族β-N-乙酰己糖胺酶（OfHex1），采用药效团、分子对接、QSAR结合的多级虚拟筛选方法，联合MM-MD和QM/MM-MD多尺度模拟技术，开展“骨架+碎片”组合的选择性有机合成和生物学活性验证，以期发现1-2个高活性、结构新颖的OfHex1抑制剂先导化合物。本项目采用计算化学、有机化学、农药学、分子生物学等多学科交叉的方式，预期成果将对发现结构全新的OfHex1抑制剂提供理论指导，丰富了基于计算机分子模拟技术开展新农药创制的设计策略。

蜕皮是昆虫生长所必需的阶段，涉及许多酶的参与。当这些酶被抑制将会影响昆虫的正常生长和发育，导致昆虫死亡。OfHex1，一类β-N-乙酰己糖胺酶，是亚洲玉米螟蜕皮过程中的关键酶，被认为是潜在的杀虫剂靶标。本项目系统研究了OfHex1与抑制剂的结合及解离机制，在此基础上开展新型OfHex1抑制剂的虚拟筛选研究。建立了高质量、高选择性的“药效团-分子对接-分子动力学”多级筛选平台；筛选、合成了137个目标化合物，完成了它们的活体杀虫、离体杀菌和靶标OfHex1水平上的活性测试；获得了6个对OfHex1的抑制常数Ki在5uM以下的全新结构，其中SI-8、SII-7分别对亚洲玉米螟、小菜蛾有一定的杀虫活性，Z17502对玉米小斑病原菌、苹果轮纹病原菌和黄瓜枯萎病原菌具有较好的抑制效果，这三个化合物值得作为先导结构进一步研究。此外，构建了农药及化学品对蜜蜂的急性接触毒性预测模型、急性参考剂量和每日允许摄入量的定量回归预测模型，搭建了免费的蜜蜂毒性分类模型在线预测平台(http://pesticides.cau.edu.cn)。本项目基于靶标结构，采用计算机分子模拟技术快速发现了结构全新、具有潜力的先导结构，采用的设计策略和方法可极大缩短农药先导发现的周期，加速我国发现具有自主知识产权的几丁质水解酶类昆虫生长调节剂。