【摘要】：新煙堿殺蟲劑是作用在乙酰膽堿受體(nAChRs)的殺蟲劑,其在農(nóng)業(yè)和動(dòng)物殺蟲方面使用的非常廣泛。但是由于它們的廣泛應(yīng)用,導(dǎo)致了昆蟲對(duì)其耐藥性的出現(xiàn)。為了開發(fā)出新的更有效的殺蟲劑,探究新煙堿類殺蟲劑耐藥以及不耐藥發(fā)生的分子機(jī)理變得十分重要。其中靶標(biāo)位點(diǎn)的突變是產(chǎn)生耐藥的一個(gè)重要原因,但是耐藥性發(fā)生的具體機(jī)理尚不明確。針對(duì)這一問題,本論文采用多種分子模擬方法如分子對(duì)接、分子動(dòng)力學(xué)模擬、MM/GBSA計(jì)算,PCA分析和RIN分析等闡明由于乙酰膽堿受體關(guān)鍵氨基酸突變導(dǎo)致其對(duì)新煙堿類殺蟲劑耐藥性發(fā)生的分子機(jī)理。具體研究?jī)?nèi)容包括以下三部分:論文第一部分研究的是第一代乙酰膽堿受體激動(dòng)劑Imidacloprid(IMI)由于靶標(biāo)的突變而引發(fā)耐藥性的分子機(jī)制。nAChRs的靶標(biāo)位點(diǎn)突變(Y151S和R81T)是引起昆蟲對(duì)IMI耐藥的重要原因。然而昆蟲的nAChRs結(jié)構(gòu)未知,在這里我們采用與其結(jié)構(gòu)相似的蝸牛的Ls-ACh BP代替昆蟲的nAChRs的結(jié)構(gòu)研究耐藥性發(fā)生的分子機(jī)制。通過序列比對(duì)發(fā)現(xiàn),nAChRs中的殘基Y151和殘基R81在位置上分別對(duì)應(yīng)于Ls-AChBP中的殘基H145和殘基Q55。由于Ls-AChBP與IMI復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)已知,我們通過突變Ls-AChBP兩個(gè)相應(yīng)位置的氨基酸殘基得到IMI與兩個(gè)突變體(H145S和Q55T)復(fù)合物的結(jié)構(gòu),以研究乙酰膽堿受體對(duì)IMI耐藥性發(fā)生的分子機(jī)制。結(jié)合自由能計(jì)算的結(jié)果表明,兩個(gè)突變都降低了IMI和結(jié)合口袋之間的相互作用。從進(jìn)一步的殘基能量分解分析,我們發(fā)現(xiàn)突變前后結(jié)合口袋殘基的能量貢獻(xiàn)發(fā)生了改變。此外,殘基相互作用網(wǎng)絡(luò)(RIN)分析結(jié)合PCA分析顯示兩個(gè)突變殘基通過改變與突變殘基直接和間接相互作用殘基的構(gòu)象而改變了IMI結(jié)合口袋的構(gòu)象和殘基柔性。Q55T突變體中M114與T55形成氫鍵相互作用造成M114的構(gòu)象改變,而H145S突變體中S145與Y192、T144的直接相互作用導(dǎo)致Y192和T144也隨之發(fā)生構(gòu)象變化。M114、Y192、T144這些結(jié)合口袋周圍的殘基構(gòu)象變化造成了IMI與靶標(biāo)結(jié)合作用的減弱。這些結(jié)果很好地解釋了兩個(gè)突變體會(huì)對(duì)IMI產(chǎn)生耐藥性的原因,將有助于設(shè)計(jì)更有效的抑制劑。論文的第二部分主要研究了當(dāng)昆蟲的乙酰膽堿受體發(fā)生R81T突變時(shí),Sulfoxaflor和Dinotefuran對(duì)突變體具有不同親和力的原因。首先通過分子對(duì)接的方法將Sulfoxaflor和Dinotefuran對(duì)接到Ls-AChBP,得到其與Ls-AChBP復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。結(jié)合口袋溶劑可極化表面積的計(jì)算發(fā)現(xiàn)Sulfoxaflor與Ls-AChBP結(jié)合的體系結(jié)合口袋的體積變小,而使得配體與受體之間的結(jié)合更緊密。因此雖然Sulfoxaflor與直接突變殘基作用減弱,但它與結(jié)合口袋依然保持較強(qiáng)的結(jié)合能力。而Dinotefuran的耐藥性是由于結(jié)合口袋殘基柔性和構(gòu)象發(fā)生了較大的改變,結(jié)合口袋變得松散導(dǎo)致W143、T144、Y185、A103、L112的能量貢獻(xiàn)減小。論文的第三部分根據(jù)第二部分得到的Sulfoxaflor不耐藥的結(jié)論,通過對(duì)Sulfoxaflor進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造以期得到不耐藥且活性更好的候選小分子。首先是通過薛定諤軟件對(duì)Sulfoxaflor進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,然后再運(yùn)用類藥性五規(guī)則、分子對(duì)接等技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的小分子進(jìn)行評(píng)價(jià),并分別計(jì)算了篩選出來的小分子與結(jié)合受體的結(jié)合自由能。最后篩選出43個(gè)具有合適的類藥性同時(shí)和野生型以及Q55T突變的Ls-AChBP都具有較強(qiáng)結(jié)合能力的小分子。本論文從分子水平上解釋了乙酰膽堿受體發(fā)生突變的昆蟲對(duì)新煙堿類殺蟲劑Imidacloprid,Dinotefuran,Sulfoxaflor具有不同程度的耐藥性的機(jī)理,并基于Sulfoxaflor的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小分子抑制劑的設(shè)計(jì)和改造。所得結(jié)果將有助于進(jìn)一步發(fā)展更加有效的殺蟲劑。
[Abstract]:Neo-nicotine insecticides are insecticides that act on acetylcholine receptors (nAChRs). They are widely used in agriculture and animal insecticides. However, their wide application has led to the emergence of insect resistance. In order to develop new and more effective insecticides, to explore the occurrence of resistance and non-resistance to new nicotine insecticides Molecular mechanism becomes very important. The mutation of target site is an important reason for drug resistance, but the specific mechanism of drug resistance is still unclear. To solve this problem, many molecular simulation methods, such as molecular docking, molecular dynamics simulation, MM/GBSA calculation, PCA analysis and RIN analysis, are used to clarify the acetylcholine. The molecular mechanism of resistance to new nicotine insecticides induced by mutations in key amino acids of alkaline receptors is discussed in this paper. The main contents are as follows: In the first part of this paper, the molecular mechanism of resistance induced by mutations in target sites of the first generation acetylcholine receptor agonist Imidacloprid (IMI) is studied. (Y151S and R81T) are important reasons for insect resistance to IMI. However, the structure of nAChRs in insects is unknown. Here, we use the structure of snails with similar structure to replace the structure of nAChRs in insects to study the molecular mechanism of drug resistance. The residues H145 and Q55 in Ls-AChBP were identified. Since the crystal structure of the Ls-AChBP-IMI complex is known, the structure of the IMI-IMI complex with two mutants (H145S and Q55T) was obtained by mutating the residues of the corresponding amino acids in Ls-AChBP to study the molecular mechanism of the resistance of acetylcholine receptors to IMI. The results show that both mutations reduce the interaction between IMI and binding pockets. Further energy decomposition analysis showed that the energy contribution of binding pocket residues changed before and after mutation. The conformation of IMI binding pocket and residue flexibility were changed by the direct and indirect interaction of residues. The hydrogen bond interaction between M114 and T55 in Q55T mutant resulted in the conformation change of M114, while the direct interaction between S145 and Y192, T144 in H145S mutant resulted in the conformation change of Y192 and T144. These results provide a good explanation for the resistance of the two mutants to IMI and will help to design more effective inhibitors. The second part of this paper focuses on Sulfoxaflor when the R81T mutation occurs in the acetylcholine receptor of insects. Sulfoxaflor and Dinotefuran were first docked to Ls-AChBP by molecular docking to obtain the structure of the Ls-AChBP complex. Sulfoxaflor maintained a strong binding capacity with the binding pocket, although the interaction between Sulfoxaflor and the direct mutant residue was weakened. In the third part of the paper, according to the conclusion that Sulfoxaflor is not drug-resistant, Sulfoxaflor is reconstructed to obtain the candidate molecules which are not drug-resistant and have better activity. The binding free energies of the selected small molecules with binding receptors were calculated by docking and other techniques. Finally, 43 small molecules with suitable drug-like properties and strong binding ability to both wild-type and Q55T mutant LS-AChBP were screened out. Insects with mutations in alkali receptors exhibited different resistance mechanisms to new nicotine insecticides Imidacloprid, Dinotefuran and Sulfoxaflor. Small molecule inhibitors were designed and modified based on the skeleton structure of Sulfoxxaflor. The results will be helpful for further development of more effective insecticides.
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R96

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本文編號(hào)：2202040