几丁质合成与水解酶的抑制剂及抑制机理

几丁质合成与水解酶的抑制剂及抑制机理农业虫害和病害威胁着农业生产与食品安全。高效且环境友好的农药是治理农业病虫害的必然选择。几丁质是植物致病真菌、寄生线虫和农业害虫在生长发育过程中所必需的结构多糖,但是几丁质不存在于高等植物和哺乳动物体内。如果通过小分子化合物抑制几丁质合成或水解过程中的关键酶,可以干扰病虫害的几丁质代谢,但是不影响高等植物和哺乳动物,从而实现对农作物的保护。几丁质的合成与水解需要β-N-乙酰己糖胺酶、几丁质酶和几丁质合酶等一系列几丁质代谢关键酶参与。本论文分别针对昆虫β-N-乙酰己糖胺酶、线虫几丁质酶和真菌几丁质合酶进行了抑制剂的筛选与抑制机理研究,并取得以下主要成果:1)真菌几丁质合酶抑制剂及抑制机理:真菌是重要的植物致病微生物。论文以模式真菌酿酒酵母几丁质合酶为对象,建立了真菌几丁质合酶抑制剂筛选的方法,筛选得到了一系列新型几丁质合酶抑制剂。其中,化合物S-16对酿酒酵母几丁质合酶较经典几丁质合酶抑制剂尼克霉素Z的抑制活性高出了2.5倍。并且,这些几丁质合酶抑制剂在100μg/mL浓度下均表现出了对禾谷镰孢菌(Fusariumgraminearum)、灰葡萄孢菌(Botrytiscinerea)和葫芦科刺盘孢菌(Colletotrichumlagenarium)等植物致病真菌的抑制活性。接着,根据同源蛋白纤维素合酶BcsA/B与UDP的复合物晶体结构,本论文建立了酿酒酵母几丁质合酶ScCHS1与UDP的结构模型。进而,基于几丁质合酶抑制剂与几丁质合酶底物UDP-GlcNAc的结构相似性,推测了抑制剂与几丁质合酶活性中心的结合方式,即构成抑制剂骨架结构的尿苷-酰腙基团、GlcNAc模拟基团和疏水烷基基团三个基团,分别作用于几丁质合酶催化中心的UDP结合位点、GlcNAc结合位点和受体寡糖结合通道的疏水入口。2)昆虫β-N-乙酰己糖胺酶抑制剂及抑制机理:亚洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)是重要的农业害虫。本论文针对亚洲玉米螟β-N-乙酰己糖胺酶OfHex2进行抑制剂的筛选,发现了具有抑制活性的双芳香基团萘酰亚胺衍生物。其中化合物1-09抑制活性最高,抑制常数Ki值为0.37μM,较已报道的活性最高的同类抑制剂M-31850的抑制效果提高了7倍。接着,基于人同源酶HsHex的晶体结构,建立了OfHex2的蛋白质结构模型。进而,通过分子对接结合色氨酸滴定等实验方法,推测了双芳香基团萘酰亚胺衍生物抑制OfHex2的机理,即萘酰亚胺衍生物是通过萘酰亚胺基团与OfHex2活性中心的色氨酸的堆积作用,另一个芳香基团与酶活性口袋外E345上方的疏水区域的疏水相互作用,以及连接两个芳香基团的桥链上的亚胺基团与酶催化残基E345形成的氢键作用等三部分相互作用实现抑制。3)线虫几丁质酶抑制剂及抑制机理:植物寄生线虫对农业危害巨大。本论文以模式生物—秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)的卵孵化关键几丁质酶CeCht1为靶标进行了抑制剂的筛选和抑制机理研究。首先,建立了CeCht1的重组表达与分离纯化方法。然后,针对CeCht1,筛选得到了一系列新型的萘酰亚胺类几丁质酶抑制剂。其中,化合物I-11对CeCht1具有最高的抑制效果,抑制常数Ki值为4.68μM。接着,以几丁质酶OfChtI的晶体结构为模板,建立了CeCht1的结构模型。基于此模型,通过分子对接,推测了萘酰亚胺衍生物与CeCht1活性口袋的结合方式,即当氨基桥链连接两个芳香基团时,萘酰亚胺基团结合到+2位糖基结合位点附近的疏水区域,桥链另一端的芳香基团与W394行成了堆积作用,桥链氨基通过氢键作用定位于E179附近;当化合物只含有萘酰亚胺一个芳香基团时,萘酰亚胺基团与W394形成了堆积作用,桥链氨基通过氢键作用被定位于E179和D177之间。综上,论文工作以几丁质代谢过程中的关