杀虫剂新靶点：离子型GABA受体竞争性拮抗剂的设计、合成及作用机理研究

Ionotropic γ-aminobutyric acid (GABA) receptor (GABAR) is an important target of insecticides. Noncompetitive antagonists (NCAs) of GABARs have been exploited as commercially agricultural insecticides at present, but most of pests have developed resistance to these insecticides. Competitive antagonists (CAs) of GABARs have been proved to exhibit insecticidal activity, but their binding sites and mechanism of action in GABARs are different from those of conventional NCA insecticides. Thus, the study on GABAR CAs could provide theoretical basis for design and development of novel and highly effective insecticides to control insecticide-resistant pests. Previous studies of this project applicant indicated that 4-aryl-3-hydroxylisothiazoles and 4-aryl-3-hydroxylisoxazoles are effective research targets as CAs of insect GABARs. In the present study, using isothiazoles and isoxazoles as basic scaffolds, we plan to design and synthesize a series of 3,4,5-trisubstituted isothiazoles and isoxazoles, and study their interaction mechanism and structure-activity relationship with GABARs. We expect to find one or two lead compounds of GABAR-targeting insecticides by the cycling study that contains molecular design, organic synthesis, activity screening, and mechanism of action analysis. This study will confirm the new insecticidal site of GABARs and will further enrich and improve the research system of GABAR-targeting insecticides.

离子型GABA受体是重要的杀虫剂作用靶标之一。目前针对该靶标的商品化农用杀虫剂均属于其非竞争性拮抗剂，但大部分害虫已对该类杀虫剂产生抗药性。GABA受体竞争性拮抗剂已被证明具有杀虫活性，但其作用靶点和作用机制均有别于传统的非竞争性类杀虫剂。因此，GABA受体竞争性拮抗剂的研究可以为高效、规避抗药性杀虫剂的设计和研发提供理论依据。项目申请人前期研究发现4-芳基-3-羟基异噻（噁）唑类衍生物是昆虫GABA受体竞争性拮抗剂的有效研究对象。本项目拟以异噻（噁）唑为基本骨架，设计并合成一系列3,4,5-三取代异噻（噁）唑类衍生物，系统研究其与GABA受体的作用机理和构效关系，力争通过分子设计-有机合成-活性筛选-机理分析的循环研究，发现1-2个新型GABA受体杀虫剂先导化合物。本项目的实施将确认GABA受体的杀虫作用新靶点，并将进一步丰富和完善以GABA受体为靶标的杀虫剂研究理论体系。

现代杀虫剂创制在寻找新的分子靶标的同时，充分利用现有靶标开发结构新颖且作用机制不同的杀虫剂，是治理抗药性和丰富杀虫剂品种的有效途径之一。离子型GABA受体的竞争性拮抗剂与其传统非竞争性类杀虫剂具有相似功能，均可使氯离子通道呈关闭状态，从而产生杀虫活性，但二者的结合位点和作用机制明显不同。课题组前期研究表明，GABA受体竞争性拮抗剂不会受现有抗药性机制的干扰，是研发高效新型杀虫剂的潜在对象，其作用位点（正构位点）可能是一个新杀虫作用位点。本项目以异噻（噁）唑为基本骨架，结合理论计算和分子模拟方法，设计并合成了多个系列的异噻（噁）唑类目标化合物（120个）；活性测试结果表明，部分化合物对家蝇和斜纹夜蛾GABA受体表现出较高的竞争性拮抗活性，半数抑制浓度值在亚微摩尔水平，同时部分化合物对靶标昆虫表现出较好的杀虫活性；分子模拟和定点突变结果揭示了作用位点的关键氨基酸残基及该类化合物的作用机理，为下一步的分子设计提供了有效的理论依据。本研究初步阐明了异噻（噁）唑类衍生物作为昆虫GABA受体竞争性拮抗剂的构效关系和作用机理，发现了2个昆虫GABA受体竞争性拮抗剂的先导结构，确认了GABA受体的杀虫作用新靶点，丰富和完善了以GABA受体为靶标的杀虫剂研究理论体系，为研发高效、安全和低抗性风险的新型杀虫剂提供了重要的理论基础和新思路。本项目资助下，项目负责人以第一作者或通讯作者发表论文9篇，其中SCI论文5篇；申请国家发明专利2项；培养硕士研究生8名，联合培养博士研究生1名。在本项目的研究基础上，项目负责人于2021年获国家自然科学基金面上项目资助。