《Bioinformatics and Biology Insights》：Exploring Neem Phytochemicals as Potential Inhibitors of Anopheles gambiae Trehalose-6-Phosphate Synthase
编辑推荐：
中文翻译摘要
针对杀虫剂耐药性的增加及其伴随的非靶标效应，亟需开发具有选择性代谢靶点的可生物降解杀虫剂。冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶是海藻糖代谢途径中的第一个酶，对该生物的关键发育过程至关重要，但在脊椎动物中缺失，因此成为一个有吸引力的杀虫靶点。本研究旨在利
中文翻译摘要
针对杀虫剂耐药性的增加及其伴随的非靶标效应，亟需开发具有选择性代谢靶点的可生物降解杀虫剂。冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶是海藻糖代谢途径中的第一个酶，对该生物的关键发育过程至关重要，但在脊椎动物中缺失，因此成为一个有吸引力的杀虫靶点。本研究旨在利用计算机模拟方法评估印楝衍生化合物对冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶的抑制潜力。研究人员预测了其三维结构，并根据保守的海藻糖-6-磷酸合酶同源物确定了活性位点残基。从IMPPAT和Dr Duke's数据库中整理了一个包含275种印楝植物化学物质的文库，以及已知底物和抑制剂。使用AutoDock Vina在葡萄糖-6-磷酸结合位点、尿苷二磷酸葡萄糖结合位点和组合结合位点进行分子对接。使用LigPlot+分析蛋白质-配体相互作用，同时使用QEPest和pkCSM评估杀虫剂相似性和ADMET性质。几种印楝衍生化合物在所有结合位点均表现出比天然底物更强的与冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶的结合亲和力。鞣酸在所有结合位点均显示出高结合亲和力，范围为-11.3至-12.1 kcal/mol，并与保守催化残基发生相互作用。其他化合物，包括1-肉桂酰美兰酮、尼姆比林、6-乙酰宁班二醇和7-脱乙酰-7-氧代葛杜宁，也表现出强且一致的结合，通常优于已知的海藻糖-6-磷酸合酶抑制剂。ADMET分析显示，鞣酸具有不利的药代动力学和毒性特征。相比之下，诸如1-肉桂酰美兰酮和尼姆比林等柠檬苦素类化合物则在效力、杀虫剂相似性和预测安全性之间展现出更有利的平衡。印楝衍生的植物化学物质显示出作为冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶抑制剂的巨大潜力，支持将冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶作为选择性蚊子控制的一个有前景的靶点。虽然鞣酸表现出强结合亲和力，但其较差的药物相似性限制了实际应用。因此，像1-肉桂酰美兰酮和尼姆比林这样的柠檬苦素类化合物成为更有前途的先导候选物。这些发现为印楝的杀虫活性提供了分子层面的见解，并为病媒控制应用的进一步实验验证提供了支持。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
全球疟疾负担自2015年以来持续上升，截至2024年报告病例达2.82亿例，死亡61万例。疟疾主要由雌性按蚊传播，其中冈比亚按蚊是撒哈拉以南非洲的主要传播媒介。当前的防控策略严重依赖基于杀虫剂的干预措施，如杀虫剂处理蚊帐和室内滞留喷洒。然而，常用杀虫剂特别是拟除虫菊酯类、有机磷类和氨基甲酸酯类的耐药性在主要疟疾流行区被广泛报道，显著降低了这些干预措施的有效性。此外，现有杀虫剂的靶点在其它脊椎动物中也存在，导致非靶标效应。因此，迫切需要从人类体内不存在的代谢途径中识别新型杀虫靶点，以避免脱靶效应。
海藻糖是一种非还原性双糖，是昆虫血淋巴中的主要糖成分，也是蚊子的重要即时能量来源。它参与蜕皮和变态等过程，并在调节糖代谢和几丁质合成、应激恢复、生长、发育和飞行中发挥作用。海藻糖的生物合成由海藻糖-6-磷酸合酶和海藻糖-6-磷酸磷酸酶控制。海藻糖-6-磷酸合酶催化葡萄糖-6-磷酸和尿苷二磷酸葡萄糖转化为海藻糖-6-磷酸，这是海藻糖生物合成途径中的限速步骤，使海藻糖-6-磷酸合酶成为海藻糖产生的核心调节因子。由于海藻糖-6-磷酸合酶在哺乳动物中缺失，而海藻糖酶存在于哺乳动物中以降解从植物饮食中获得的海藻糖，因此海藻糖-6-磷酸合酶成为一个极具选择性的杀虫靶点。研究表明，在模式生物如果蝇中，海藻糖-6-磷酸合酶基因沉默会导致幼虫早期死亡，因此抑制该酶预计会破坏海藻糖的产生，从而损害蚊子的生长、发育和生存。
印楝以其杀虫活性而闻名，其主要活性成分印楝素被描述为强大的拒食剂和昆虫生长干扰剂。近期研究表明印楝油和提取物对多种害虫具有杀虫潜力，包括对埃及伊蚊、致倦库蚊和冈比亚按蚊的幼虫具有杀灭活性。尽管海藻糖代谢已在真菌病原体中被研究作为潜在靶点，但对疟疾病媒特别是冈比亚按蚊中海藻糖-6-磷酸合酶的关注有限。此外，虽然印楝衍生的植物化学物质因其杀虫和生长干扰特性而被广泛认可，但它们与蚊子代谢酶的分子相互作用在很大程度上仍未被探索。据研究人员所知，尚无全面的计算研究系统地筛选印楝植物化学物质对冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶的活性。因此，本研究通过整合结构建模、分子对接和ADMET分析，填补了这一重要的知识空白，以评估基于海藻糖-6-磷酸合酶靶向抑制作为选择性、代谢基础的蚊子控制策略。
二、主要研究方法
研究人员采用了一套集成的计算机模拟方法。首先，从Ensembl Metazoa数据库获取冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶蛋白序列，使用AlphaFold服务器和MODELLER软件进行蛋白质结构预测，并通过SWISS-MODEL结构评估工具和SAVES服务器进行模型质量评估。其次，基于白色念珠菌海藻糖-6-磷酸合酶的结构确定活性位点残基。然后，从IMPPAT和Dr Duke's数据库收集275种印楝植物化学物质，连同已知底物和抑制剂构成配体文库，使用AutoDock Vina在葡萄糖-6-磷酸、尿苷二磷酸葡萄糖及组合结合位点进行分子对接。最后，使用QEPest软件计算定量估计杀虫剂相似性评分，并使用pkCSM平台进行ADMET性质预测。
三、研究结果
3.1 结构建模与评估
AlphaFold服务器和Modeller软件各预测了5个模型。整体结构评估表明，Modeller生成的模型质量非常低，因此重点放在AlphaFold生成的模型上。AlphaFold模型的验证参数显示，94.72%至95.33%的残基位于Ramachandran最允许区域，0.74%至1.11%的残基为Ramachandran异常值，0.14%至0.57%的旋转异构体异常值。模型表现出高的ERRAT值和略低于80阈值的Verify3D分数。基于各项参数，选择AlphaFold模型4用于后续研究。
3.2 活性位点确定
冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶的活性位点残基包括：尿苷二磷酸葡萄糖结合位点的H204、R306、K311、V383、D405、M407、N408、L409、E413，以及葡萄糖-6-磷酸结合位点的Y113、D176、R344。这些残基表现出强烈的保守性，与用于比对的结构之间的氨基酸残基差异极小。与其他物种如黑腹果蝇、白色念珠菌、新生隐球菌、烟曲霉和大肠杆菌的海藻糖-6-磷酸合酶序列比对显示，关键催化残基在不同物种间高度保守，表明海藻糖-6-磷酸合酶蛋白使用相同的结合口袋和相同的催化机制。
3.3 分子对接结果
在葡萄糖-6-磷酸结合位点，印楝化合物表现出比底物更强的结合亲和力。鞣酸显示出最高的结合亲和力（-11.3 kcal/mol），其次是7-脱乙酰-7-氧代葛杜宁（-11.1 kcal/mol）、6-乙酰宁班二醇（-11 kcal/mol）、7-乙酰新三烯酮和β-香树脂醇（均为-10.9 kcal/mol）。抑制剂Lead-25的结合亲和力为-10.7 kcal/mol，而底物尿苷二磷酸葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸分别仅为-9.0 kcal/mol和-5.8 kcal/mol。鞣酸形成最多的相互作用，与14个氨基酸残基形成氢键，其中包括D176，并与20个氨基酸残基形成疏水相互作用，包括Y113和R344。
在尿苷二磷酸葡萄糖结合位点，鞣酸再次成为结合能最高的配体（-12.1 kcal/mol），其次是抑制剂Lead-25（-11.8 kcal/mol）、1-肉桂酰美兰酮（-11.2 kcal/mol）、尼姆比林（-11.1 kcal/mol）、7-脱乙酰-7-氧代葛杜宁（-11.1 kcal/mol）和6-乙酰宁班二醇（-11.0 kcal/mol）。尿苷二磷酸葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸的结合亲和力较低，分别为-9.1 kcal/mol和-6.1 kcal/mol。鞣酸形成的相互作用最多，包括与K311、L409、D405、V383和N408等18个氨基酸残基形成氢键。
在组合的葡萄糖-6-磷酸加尿苷二磷酸葡萄糖结合位点，Lead-25显示出所有配体中最高的结合亲和力（-11.8 kcal/mol），鞣酸紧随其后（-11.4 kcal/mol）。其他印楝化合物包括1-肉桂酰美兰酮（-11.3 kcal/mol）、尼姆比林（-11.2 kcal/mol）、7-脱乙酰-7-氧代葛杜宁（-11.1 kcal/mol）和6-乙酰宁班二醇（-11.0 kcal/mol）也表现出强结合。相比之下，尿苷二磷酸葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸的结合亲和力较弱，分别为-9.1 kcal/mol和-5.9 kcal/mol。
3.4 ADMET研究
β-香树脂醇、7-乙酰新三烯酮和7-脱乙酰-7-氧代葛杜宁显示出最高的定量估计杀虫剂相似性评分，分别为0.562、0.5445和0.4256。水溶性范围从微溶到难溶，大多数化合物显示良好的肠道吸收和皮肤渗透性，只有鞣酸显示较差的吸收和相对较低的皮肤渗透性。关于中枢神经系统穿透，大多数化合物显示中等脑分布。所有化合物均预测无AMES毒性，不被预测为hERG I抑制剂。根据最大耐受剂量，尼姆比林、鞣酸、β-香树脂醇和Lead-25被认为对人体暴露安全。然而，根据口服大鼠急性毒性测试，只有1-肉桂酰美兰酮和尼姆比林被认为对人体暴露安全，而根据口服大鼠慢性毒性测试，只有1-肉桂酰美兰酮被认为安全。肝毒性预测显示尼姆比林和Lead-25具有肝毒性。所有化合物均预测不会引起皮肤致敏。
四、讨论与结论
本研究表明，大多数印楝衍生化合物在所有结合位点都表现出比天然底物更强的与冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶的结合亲和力。Lead-25作为一种先前报道的稻瘟病菌海藻糖-6-磷酸合酶抑制剂，对冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶也显示出高结合亲和力，支持了催化口袋跨物种的保守性。鞣酸表现出最高或接近最高的结合能，这归因于其化学性质——它是一种水解单宁，由多个没食子酸单元组成，能够与蛋白质形成广泛的氢键网络和疏水相互作用。然而，鞣酸的广泛相互作用谱也可能表明由于分子尺寸大和官能团数量多导致的非特异性结合，这可能降低选择性并限制其作为先导化合物的适用性。
其他印楝化合物，如1-肉桂酰美兰酮、尼姆比林、6-乙酰宁班二醇和7-脱乙酰-7-氧代葛杜宁，也表现出强结合亲和力并与保守催化残基形成相互作用。这些化合物显示出更平衡的相互作用谱，表明较小的柠檬苦素类和三萜类化合物可能更适合优化为选择性冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶抑制剂。
ADMET分析进一步区分了这些化合物。尽管鞣酸具有强大的对接性能，但它显示出较差的肠道吸收、微不足道的血脑屏障和中枢神经系统穿透，被预测具有肝毒性，且定量估计杀虫剂相似性评分为0，这些特性限制了其作为杀虫先导化合物的适用性。相比之下，印楝衍生的柠檬苦素类化合物如1-肉桂酰美兰酮和尼姆比林显示出良好的吸收、可接受的渗透性、无AMES毒性和可控的毒性特征，使其成为最有希望的候选物。
研究结论：总体而言，结果表明，虽然鞣酸这种多酚单宁由于其化学结构表现出强的酶结合，但其较差的药物相似性和毒性缺陷限制了实际应用。另一方面，结构不太复杂的印楝代谢物如1-肉桂酰美兰酮和尼姆比林通常在效力、选择性和安全性之间提供平衡。这些发现为合理优化印楝衍生骨架作为冈比亚按蚊海藻糖-6-磷酸合酶抑制剂提供了框架，并支持进一步的实验验证，以实现生态友好、可持续的蚊子控制策略。
