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南京农大成功设计并合成α-羟基羧酸结构新型除草剂先导化合物

2025-06-09 15:312510

近日,植物保护学院叶永浩教授课题组联合中科院上海有机所/南京师范大学周佳海教授课题组,在Nature Communications期刊上在线发表了题为″Substrate-based discovery of α-hydroxycarboxylic acid derivatives as potential herbicides targeting dihydroxyacid dehydratase″的研究论文。该研究创新性地以植物支链氨基酸(BCAAs)合成途径中的关键酶二羟酸脱水酶(DHAD)为靶标,成功设计并合成具有α-羟基羧酸结构特征的新型除草剂先导化合物,为开发作用机制独特、环境友好的新一代除草剂奠定了重要的分子设计基础。


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BCAAs是蛋白质合成的必需组分,植物和微生物能够自主合成,而哺乳动物则依赖外源摄取。这种差异使得BCAAs合成通路中的蛋白被认为是开发高选择性除草剂的理想靶标。DHAD催化2,3-二羟基甲基戊酸和2,3-二羟基异戊酸脱水生成α-酮酸,是BCAAs合成途径的关键酶。本研究通过比较植物、真菌、细菌等不同种属来源DHAD蛋白结构和序列差异,发现活性腔内关键氨基酸残基(Asp140、Glu463、Tyr215和Ser489)保守,但存在构象差异,为靶向DHAD抑制剂合理设计提供分子基础。


通过分析DHAD与底物的互作模式,发现α-羟基羧酸片段与活性腔内的2Fe-2S簇和 Mg2+形成配位,烷基骨架与邻近的Tyr215和Phe181形成疏水相互作用。因此,采用底物导向的分子设计策略,构建了含有α-羟基羧酸片段的苯并噁嗪酮类系列衍生物。同时建立了常温常压条件下,空气氧化实现α-C(sp³)−H羟基化的绿色高效合成方法。


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靶标亲和力测试发现化合物I-6e与DHAD互作的Kd值达到1.00 µM,优于底物2,3-二羟基甲基戊酸(Kd = 5.39 µM)和天然抑制剂aspterric acid(Kd = 3.41 µM)。转录组分析和BCAAs回补实验证实α-羟基羧酸衍生物通过作用于支链氨基酸合成途径,进而抑制种子萌发和植物生长。进一步解析得到分辨率为2.19 Å的DHAD与I-6e复合物晶体结构,揭示了I-6e与蛋白互作的关键位点,证实了α-羟基羧酸是与DHAD活性腔结合的关键药效片段,为创制靶向DHAD抑制剂提供了理论基础。温室实验表明,α-羟基羧酸系列化合物对狗尾草、野燕麦、醴肠、反枝苋等杂草防治效果显著,且对水稻、小麦、玉米等作物安全,具有良好的应用前景。


来源: 公众号:iPlants


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