新型构象限制四环化合物作为高效几丁质酶OfChi-h抑制剂的发现及其全新结合模式研究

本文报道了针对亚洲玉米螟(Ostrinia furnacalis)专属几丁质酶OfChi-h的新型构象限制抑制剂研究。通过环化策略设计了一系列四环结构化合物，其中6a展现出58 nM的强效抑制活性(Ki)。分子对接与1.8 ?分辨率共晶结构揭示其独特结合模式，占据酶活性位点的-3至-1亚位点。该研究为开发高效特异性昆虫几丁质酶抑制剂提供了新思路，对可持续农业害虫防治具有重要意义。

　　

Abstract

研究聚焦于鳞翅目昆虫特有的几丁质酶-h(Chi-h)，该酶通过水平基因转移从细菌获得，与人类及其他昆虫几丁质酶结构差异显著。以亚洲玉米螟OfChi-h为模型，采用构象限制策略设计新型四环抑制剂，化合物6a对OfChi-h的K_i达58 nM。共晶结构显示其结合细菌同源蛋白SmChiA的-3至-1亚位点，为开发高效特异性农药靶点提供新途径。

Introduction

几丁质酶(EC 3.2.1.14)水解几丁质β-1,4-糖苷键，Chi-h作为鳞翅目特有酶类，在昆虫蜕皮过程中起关键作用。OfChi-h晶体结构揭示其含7个糖结合亚位点(-5至+2)，现有抑制剂包括壳七糖(GlcN)₇、天然产物phlegmacin B1等。构象限制策略通过环化减少熵罚，可增强结合亲和力与选择性。

Rational design of novel tetracyclic core

基于先导化合物5a与OfChi-h的相互作用模式，通过分子对接预测其结合-3至-1亚位点。设计四环骨架6a锁定活性构象，关键羰基氧与Trp268骨架氢键、吡啶氮与催化残基Glu308相互作用得以保留。

Chemistry

以2-氨基-3-甲基吡啶为起始原料，经多步反应构建关键中间体3，与氰基乙酰胺衍生物4a-4l缩合后，经DMFDMA环化得到目标化合物6a-6l。所有产物经核磁共振(NMR)和高分辨质谱(HRMS)确证结构。

Structure-activity relationship analysis

构效关系研究表明：

1. 四环骨架6a较柔性前体5a活性提升15倍

2. 吡啶3位取代基显著影响活性，甲基化(6b)或苯基取代(6d)导致活性下降

3. 三甲氧基苯衍生物6e保持高效(K_i=65 nM)

4. 6a对细菌同源酶SmChiA(K_i=126 nM)和人源几丁质酶HsChit1(K_i=295 nM)也显示抑制活性

Elucidation of binding modes

SmChiA-6a共晶结构(1.8 ?分辨率)显示：

• 四环骨架与Trp167形成π-π堆积

• 11/12位氮原子通过水分子与Glu473氢键网络

• 吡啶环插入Tyr390/Met388/Trp539形成的疏水口袋

分子对接预测6a结合OfChi-h模式：

• 吡啶氮与Glu308直接氢键

• 四环骨架与Trp160 π-π作用

• 结合模式不同于多甲氧基衍生物6e

Conclusion

该研究成功开发出K_i达58 nM的强效OfChi-h抑制剂6a，共晶结构揭示其占据-3至-1亚位点的全新结合模式。四环骨架不仅增强结合亲和力，还提高代谢稳定性，为设计选择性几丁质酶抑制剂提供新模板。该构象限制策略可拓展至人类几丁质酶抑制剂开发，用于炎症性疾病治疗。

Experimental section

详细记载了：

1. 化合物合成采用核磁共振(400/600 MHz)和HRMS表征

2. 酶源表达：SmChiA用E.coli BL21(DE3)，HsChit1和OfChi-h用Pichia pastoris GS115

3. 活性测定：以MU-β-(GlcNAc)₂为底物，荧光法检测4-MU释放

4. 分子对接：采用Glide XP模式，OPLS-3力场优化

5. 晶体学：上海同步辐射光源BL-19U1线站收集数据，PHENIX套件精修