《Journal of Stored Products Research》：Molecular docking and interaction of natural aroma compounds on acetylcholinesterases: Insights of in-silico perspective on stored grain insect pests
编辑推荐：
选择性乙酰胆碱酯酶抑制剂开发及靶向储粮害虫的分子机制研究
D.G. 莫克希斯|D. 阿尔查纳|Y. 拉贾谢卡尔|C.S. 维韦克·巴布
印度卡纳塔克邦迈索尔，CSIR-中央食品技术研究所（CSIR-CFTRI）食品保护与虫害控制（FPIC）部门，邮编570020
摘要 目前针对储存谷物害虫的防治方法主要使用合成杀虫剂和熏蒸剂。尽管这些措施有效，但常常导致生态污染，并使害虫种群产生抗药性。因此，有必要开发具有针对性的杀虫剂以减少跨物种污染。本研究以乙酰胆碱酯酶（AChE）为靶点，探讨来自Mentha 和Ocimum 物种的植物化学化合物，这些化合物不会影响人类的AChE系统。通过对测试生物的AChE FASTA序列进行多序列比对，研究确定了保守的催化三联体（丝氨酸、组氨酸和谷氨酸）以及害虫特有的外围结合位点残基，例如Sitophilus oryzae 、Tribolium castaneum 、Oryzaephillus surinamensis 、Callosobruchus maculatus 中的亮氨酸，以及Rhyzopertha dominica 、Lasioderma serricorne 、Stegobium paniceum 中的半胱氨酸。系统发育分析进一步支持了这种结合位点的差异性，表明具有选择性干预的潜力。为了验证这一可能性，我们进行了分子对接实验，评估了所选植物化学化合物与害虫AChE酶结合位点的相互作用。虽然标准抑制剂（多奈哌齐和毒扁豆碱）的对接分数在?10至?4.3 kcal/mol之间，但植物来源的化合物表现出显著的化合物特异性和害虫特异性结合亲和力。薄荷醇和对 allylanisole 的研究表明，它们能够特异性地作用于害虫的AChE系统，从而降低非靶标毒性。这些计算结果突显了植物化学物质作为可持续替代品在控制储存谷物害虫方面的潜力。
引言 由于储存谷物受到害虫侵扰，全球粮食安全受到严重影响。每年约有40%的储存谷物因害虫污染而损失，这加剧了发展中国家的粮食短缺问题（López-Castillo等人，2018年）。这些污染会导致粮食的营养价值降低和重量减少（Kumar和Kalita，2017年）。不同类型的害虫在谷物处理的各个阶段侵入，特别是在种子发育和成熟期、脱粒场操作、运输和储存过程中（Ahmad等人，2022年，2022b年）。储存谷物害虫如象鼻虫、甲虫和蛾类通过啃食胚乳造成损害。这些侵扰会降低碳水化合物和蛋白质含量，并增加水分含量，最终导致真菌生长（Srivastava和Subramanian，2016年；Demis等人，2022年）。受虫害影响的谷物因物理损伤、微生物污染以及对次级害虫侵扰的敏感性增加而市场价值下降（Athanassiou等人，2018年）。常见的储存谷物害虫包括鞘翅目甲虫（Sitophilus oryzae 、Rhyzopertha dominica 、Tribolium castaneum ）和鳞翅目蛾类（Plodia interpunctella 、Sitotroga cerealella ）。
在这些害虫中，鞘翅目甲虫的破坏性最强，因为它们能快速产生并对传统杀虫剂产生抗药性（Ahmad等人，2022年）。无节制地使用化学熏蒸剂（溴甲烷、磷化氢）和合成杀虫剂（有机磷、拟除虫菊酯）来控制储存谷物害虫导致了环境污染、害虫抗药性的产生以及人类健康风险增加（Boyer等人，2011年）。此外，这些化学物质在谷物上留下残留物，引发食品安全问题，危及消费者健康（Zhou等人，2024年）。相比之下，过去几十年中，姜黄和印楝叶等天然驱虫剂已被用于传统的安全储存方法，表明它们具有驱赶储存谷物害虫的能力（Kumar等人，2017年；Saxena等人，2018年）。
乙酰胆碱酯酶（AChE）在所有生物的神经连接突触间隙中水解乙酰胆碱（ACh）方面起着关键作用（Khan等人，2018年）。商业杀虫剂如有机磷和氨基甲酸酯会抑制这种AChE酶，导致乙酰胆碱积累，进而使昆虫麻痹死亡（Kaur等人，2023年）。然而，害虫逐渐产生的抗药性（Liang等人，2025年）以及对非害虫生物（如有益昆虫、鸟类和人类）的非靶标毒性表明，需要开发选择性的AChE抑制剂。人类体内的AChE通常以同源二聚体或更高阶寡聚体的形式存在。活性位点位于一个深“沟”内，包含两个主要亚位点：第一个是酯化位点，包含催化三联体Ser 203、His 447和Glu 334，负责将乙酰胆碱（ACh）水解为乙酸和胆碱（图1）。在第一阶段（酰基化），形成酰基-酶中间体；在第二阶段（双酰基化），由His 447介导，水分子对酰基化酶进行亲核攻击，释放氢离子并再生自由酶。第二个亚位点是阴离子位点，包含与ACh的季铵基团协调的芳香残基；这是同一活性位点沟的一部分，而不是单独的远端位点（Mladenovi?等人，2018年）。
AChE在不同生物体中表现出轻微的结构差异，影响杀虫剂的特异性。例如，太平洋电鳐（Torpedo californica ）的AChE已被广泛研究，其活性位点沟和催化三联体（Ser 200、Glu 327、His 440）与人类相似，但在某些外围位点残基上存在差异（Dvir等人，2010年；Bennion等人，2015年）。Pang等人（2012年）指出，某些昆虫物种具有负责翻译OP-AChE和AP-AChE基因序列的直系同源基因和旁系同源基因。具有AP-AChE的昆虫在其AChE酶的活性位点入口或外围位置具有半胱氨酸特异性残基，这在哺乳动物中可能不同。针对这一外围位点可能有助于降低非靶标毒性。通过对储存谷物害虫、人类和模式生物的AChE序列进行多序列比对，可以发现保守的催化三联体和外周位点氨基酸残基。植物来源的精油可能对昆虫具有神经毒性，引起类似有机磷和氨基甲酸酯杀虫剂或抑制AChE的症状（Mossa，2016年）。
具有广谱杀卵、杀幼虫和抗真菌活性的植物精油现在被作为合成杀虫剂的替代品，用于保护农作物（Saroj等人，2020年）。据记录，约有17,500种芳香植物能产生精油，其中约3,000种化合物来自不同科的开花植物（Jyotsna等人，2024年）。Ocimum 和Mentha物种是易于获得的草本植物，含有多种生物活性化合物（如薄荷醇、芳樟醇），具有强烈的AChE抑制作用（Fitsiou等人，2016年；Al-Harbi等人，2021年；Garrido-Miranda等人，2022年；Remesh等人，2023年）。与其他植物物种相比，这些植物已在广泛的气候区域大规模种植，用于制药、化妆品和食品工业，并建立了稳定的供应链（R. Srivastava等人，2002年；A. K. Singh等人，2003年；R. K. Srivastava等人，2018年）。这两种植物产生的精油量较大，使得提取过程具有经济可行性（A. Gupta等人，2016年；GR & Tripathy，2016年）。提取的精油具有生物降解性和低哺乳动物毒性，非常适合综合害虫管理（IPM）实践。
分子对接是一种广泛应用的生物信息学方法，用于虚拟筛选药物和天然化合物。这种方法在药物发现和药物再利用领域至关重要，因为它可以缩短药物开发时间和成本（S. Kumar & Kumar，2019年）。结合配体结构数据和计算生物学有助于了解植物化学活性先导化合物如何与目标酶结合（Chihomvu等人，2024年）。主成分分析（PCA）是一种常用的多变量统计工具，有助于解释复杂数据集的结果，并根据分子描述符对化合物进行分类（Pavlovi?等人，2023年）。在害虫管理背景下，我们使用PCA来探索和比较不同化学化合物对害虫AChE酶的理化性质和生物活性。
本研究重点是通过参考太平洋电鳐和人类的AChE系统，识别害虫AChE的催化三联体和物种特异性的外围结合位点残基。通过整合计算机模拟信息，研究了来自各种天然精油的活性成分与储存谷物害虫AChE的结合亲和力和相互作用方式，旨在发现具有较低非靶标毒性的先导杀虫化合物。通过PCA图中的化合物相互作用模式可视化，研究还旨在描述结构相似性、潜在的AChE抑制剂以及天然和合成AChE抑制剂的物种特异性趋势。将对先导分子的毒性进行预测，以评估其对非靶标生物的生理、理化和致死剂量。
测试生物的选择 本研究的主要目标是污染储存谷物的害虫。因此，选择了Sitophilus oryzae （L.）、Rhyzopertha dominica （F.）、Tribolium castaneum （H.）、Oryzaephilus surinamensis （L.）、Lasioderma serricorne （F.）、Callosobruchus maculatus （F.）等害虫作为目标物种，同时选择了Drosophila melanogaster （M.）、Stegobium paniceum （L.）、Helicoverpa armigera （H.）、Anopheles gambiae （G.）等生物进行比较分析。
多序列比对和系统发育树构建 对所选生物的乙酰胆碱酯酶（AChE）序列进行了多序列比对（MSA）。Dvir等人（2010年）发现，太平洋电鳐的AChE（PDB ID：
2ACE ）中的残基S（200）、E（327）、H（440）构成了其催化活性所需的催化三联体。以这些残基为参考，我们的比对研究还发现所有测试生物的AChE序列中都存在保守的S-E-H残基（图
讨论 本研究强调了害虫和人类AChE活性位点序列之间的关键差异和相似性。这些差异对于开发针对性的抑制策略以及研究Mentha 和Ocimum物种中的生物活性化合物作为选择性AChE抑制剂以管理储存谷物害虫、同时降低非靶标毒性至关重要。
多序列比对确认了保守的催化三联体（Ser-Glu-His）和GXSXG的存在
结论 虽然化学杀虫剂对储存谷物害虫有效，但它们也对接触的生物具有毒性。蛋白质序列的多序列比对有助于识别测试物种AChE序列之间的关键相似性和差异。确定了S. oryzae 、T. castaneum 、O. surinamensis 、C. maculatus 、R. dominica 、L. serricone 和S. paniceum 的保守催化三联体（S-E-H）和物种特异性结合位点残基。
CRediT作者贡献声明 D.G. 莫克希斯： 撰写原始草稿，进行正式分析。D. 阿尔查纳： 撰写原始草稿，进行正式分析。Y. 拉贾谢卡尔： 撰写、审稿和编辑。C.S. 维韦克·巴布： 撰写、审稿和编辑，监督、资源管理、项目管理和概念构思。
作者声明 所有作者坚信我们的研究成果将产生更大的影响并吸引读者。所有作者确认本文尚未在其他地方发表，也未被其他期刊接受。所有作者均已批准手稿并同意提交。
致谢 MDG和AD感谢Millet Mission Project（HCP-0052和FTT020506）的财政支持。CSV衷心感谢HCP-0052和FTT020506提供的资金。作者还感谢卡纳塔克邦迈索尔CSIR-CFTRI的主任提供的设施支持。（PMC手稿批准编号：PMC/2025-26/196）
