具有跨物种杀虫活性的安全sNPF模拟肽的理性设计与合成

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Rational design and synthesis of a safe sNPF-mimetic peptide with cross-species insecticidal activity

短神经肽F模拟肽设计与杀虫活性研究显示，引入α-氨基异丁酸（Aib）的空间位阻效应可显著增强对蚜虫等6种经济害虫的杀虫活性，其中B-5的LC50值优于商业农药吡虫啉。分子动力学模拟和转录组分析表明其通过干扰神经肽受体信号通路抑制细胞代谢。蜜蜂急性毒性实验证实B-5对蜜蜂低毒，符合绿色化学原则。

　　

周远林|王春月|姚翔|曾超|黄森苗|曾忠尧

中国四川省自贡市643000，四川科技大学化学工程学院制药工程系

摘要

短链神经肽F（sNPF）是一种由6-19个氨基酸组成的昆虫特异性神经肽，具有保守的RLRFa结构基序，在调节昆虫生长、发育、取食行为和能量稳态中起着关键作用。这些过程的紊乱会损害昆虫的发育和生存，这表明sNPF是一个有前景的骨架，可用于开发符合绿色化学原则的环境友好型杀虫剂。在本研究中，通过将空间刚性氨基酸Aib引入先前确定的先导化合物“I-3”中，合理设计并合成了十种新的sNPF类似物。杀蚜生物测定结果显示，其中六种类似物的杀虫活性高于广泛使用的商业杀虫剂吡虫啉。进一步的跨物种杀虫活性评估表明，“B-5”对包括A. pisum、A. craccivora、R. padi、F. occidentalis、P. xylostella和S. frugiperda在内的六种经济重要害虫具有杀虫或生长抑制作用，强调了其跨物种应用的潜力。此外，转录组和qPCR分析表明，“B-5”可能干扰神经肽信号传导并抑制神经活动，从而影响细胞发育和代谢。在实验室条件下进行的蜜蜂毒性试验（包括接触和口服暴露）表明，“B-5”对蜜蜂的急性毒性较低。总体而言，这些发现表明“B-5”是一种具有跨物种杀虫活性的有前景的sNPF类似物，为开发绿色和可持续的害虫管理策略提供了坚实的基础。

引言

农业害虫是导致作物产量减少的主要因素，联合国粮食及农业组织（FAO）估计它们每年造成约14%的全球作物损失（Savary等人，2019年）。目前，化学杀虫剂仍然是害虫管理的主要策略。然而，近几十年来对这些化学物质的长期依赖导致了严重的害虫抗性以及对非目标物种（特别是蜜蜂）的不利影响（Al Naggar等人，2025年；Wan等人，2025年；Woodcock等人，2017年）。为了保护生态系统，一些地区已经禁止在露天种植中使用对蜜蜂有毒的新烟碱类杀虫剂（Ahsan等人，2025年；Woodcock等人，2016年；Tsvetkov等人，2017年；Tasman等人，2020年）。因此，开发环境友好的替代杀虫剂对于可持续农业至关重要（Verma等人，2024年）。

近年来，肽的独特结构特征、高生物活性和精确的靶向性推动了它们在医药、化妆品、医疗保健和农业领域的应用加速（Sharma等人，2025年；Tang等人，2025年；Ashaolu，2025年；Karati等人，2025年；Mada等人，2019年）。其中，抗菌肽、生物活性植物衍生肽和昆虫神经肽常被用于提高作物质量、优化饲料加工和管理害虫。对基于肽的杀虫剂的日益关注使绿色害虫管理研究成为焦点（Zhang等人，2023年；Jiang等人，2025年；Scherkenbeck和Zdobinsky，2009年；Kergaravat等人，2025年）。短链神经肽F（sNPF）以末端苯丙氨酸为特征，仅存在于昆虫中。它由6-19个氨基酸组成，在昆虫类群中普遍存在，并在神经系统中作为重要的信号分子（Cholewiński等人，2024年；Garczynski等人，2006年；Cui和Zhao，2020年）。它调节取食、感觉感知、生长、繁殖、运动活动、昼夜节律和渗透压稳态，这些过程的紊乱会损害昆虫的发育和生存（Amir等人，2022年；Peng等人，2021年；Li等人，2024年；Mikani等人，2012年；N?ssel和Wegener，2011年；Cui和Zhao，2020年）。

研究人员最近阐明了Acyrthosiphon pisum（A. pisum）中的Acypi-sNPF-1（NQRSPSLRLRFa）及其受体sNPFR（ApsNPFR）的序列及其功能（Li等人，2013年；Yeoh等人，2017年）。ApsNPFR是一种具有七个跨膜螺旋的视紫红质样GPCR，与Acypi-sNPF-1特异性相互作用以调节蚜虫的生物功能（Reale等人，2004年；Li等人，2018年；Audsley和Down，2015年）。数据库查询显示，几种害虫中的sNPF肽保留了C末端的xLRLRFamide基序（Yeoh等人，2017年；Reale等人，2004年；Zhou等人，2024年）。由于其良好的生物活性、低毒性和保守的C末端结构，sNPF符合绿色化学原则，是开发具有跨物种杀虫活性的环境友好型sNPF类似物的有前景的骨架（Amir等人，2022年；Peng等人，2021年；Li等人，2024年；Mikani等人，2012年；N?ssel和Wegener，2011年；Li等人，2013年；Yeoh等人，2017年；Reale等人，2004年；Li等人，2018年；Zhou等人，2024年；Kergaravat等人，2025年；Konopińska等人，2026年）。然而，由于天然sNPF的固有局限性，如长序列、渗透性差、易降解性和合成复杂性，需要进行结构修饰以获得用于害虫控制的新肽模拟物（Pereira等人，2024年；Sharma等人，2023年）。肽模拟方法（PA）通过用天然或合成类似物替换氨基酸来增强肽的生物活性（Lombardi等人，2025年；Qvit等人，2017年；Muttenthaler等人，2021年；Zhou等人，2026年）。引入大型α,α-取代残基（如α-氨基异丁酸（Aib）可以提高昆虫神经肽的活性和稳定性（Nachman等人，1997年；Tsuji等人，2018年；Castro等人，2023年）。

在我们之前的工作中，对从蚜虫中分离出的天然Acypi-sNPF-1（NQRSPSLRLRFa）进行了广泛的结构修饰，得到了化合物“I-3”（YLRLRFa，LC₅₀ = 2.984 mg/L），它表现出一定的杀蚜活性（Zhou等人，2025年）。然而，其对其他害虫的活性及其作用机制尚不清楚。在这项研究中，我们在“I-3”中引入了Aib取代基，根据分子对接评分设计并合成了多种sNPF类似物（图1），并评估了它们对A. pisum的生物活性。这些类似物首次被进一步评估了对多种农业害虫的活性，包括Aphis craccivora、Rhopalosiphum padi、Frankliniella occidentalis、Plutella xylostella和Spodoptera frugiperda。此外，还对S. frugiperda幼虫进行了转录组和定量实时PCR（qPCR）分析，以探讨其潜在的作用机制。这些结果为合理设计和合成具有跨物种杀虫活性的环境友好型sNPF模拟肽提供了支持。

试剂和材料

选择Rink Amide-AM树脂作为固相支持剂，其取代水平为0.62 mmol/g。实验中使用的Fmoc保护的天然和非天然氨基酸均为L-构型，以及偶联试剂和脱保护试剂（如1-羟基苯并三唑（HOBt）、O-(苯并三唑-1-yl)-N,N,N′,N′-六氟磷酸氢盐（HBTU）、N,N-二异丙基乙胺（DIEA）和哌啶）均购自Bidepharm有限公司（上海）。

设计与合成

基于A. pisum中的ApsNPFR一级序列，使用AlphaFold2、AlphaFold3和trRosetta进行了结构建模，每种方法得到了20个受体结构模型。使用SAVEs v6.1验证了所得蛋白质结构模型，结果表明ApsNPFR模型具有满意的结构可靠性，选择了最优模型（trRosetta ?/?1）（表S4）。以先导肽“I-3”（YLRLRFa）为基础，引入了空间阻碍性氨基酸Aib。

结论

基于先导化合物“I-3”，本研究通过引入Aib成功设计并合成了10种sNPF类似物，其结构通过HRMS和NMR得到了明确确认。生物测定和计算分析共同表明，“B-5”是对A. pisum最活跃的类似物，其杀蚜效力超过了“I-3”和吡虫啉，这与其较低的HOMO-LUMO能量差距和明显的电荷分布一致。

CRediT作者贡献声明

周远林：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，资源获取。王春月：软件，资源，方法学，调查，形式分析。姚翔：可视化，验证，资源，调查。曾超：可视化，验证，资源，项目管理，调查，形式分析，概念化。黄森苗：调查，形式分析。曾忠尧：可视化，验证，资源。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

作者使用Chat GPT检查了语法错误，并在某些地方改进了手稿的学术写作语言。使用这一AI工具，作者仔细审查了科学写作并在需要时编辑了内容，因此对出版物的内容负全责。

资助

本研究得到了中国四川省自然科学基金（编号：2024NSFSC1323）、四川科技大学研究生创新基金项目（编号：Y2025023）和泸州老窖研究生创新基金项目（编号：LJCX2024–7）的财政支持。