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

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。

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。

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