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        基于分子對(duì)接從天然產(chǎn)物中虛擬篩選HPPD先導(dǎo)化合物

        2020-02-22 07:42:25劉學(xué)貴周靜瑤黃明遠(yuǎn)岳丹丹呂夢(mèng)超孫羽俅高品一李丹琦
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年24期
        關(guān)鍵詞:苯環(huán)氫鍵除草劑

        劉學(xué)貴 周靜瑤 黃明遠(yuǎn) 岳丹丹 呂夢(mèng)超 孫羽俅 高品一 李丹琦

        摘要:對(duì)羥基苯丙酮酸雙加氧酶(p-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase,簡(jiǎn)稱HPPD)作為一種化學(xué)除草劑的重要靶標(biāo)酶已引起越來(lái)越多的關(guān)注?;诜肿訉?duì)接技術(shù),以HPPD靶蛋白為受體,通過(guò)研究配體與受體的結(jié)合模式,以商品化除草劑吡草酮為陽(yáng)性對(duì)照,對(duì)課題組從天然植物透骨草和紫花苜蓿中分離得到的41個(gè)化合物進(jìn)行虛擬篩選,根據(jù)對(duì)接得分以及分析結(jié)合模式得出10個(gè)對(duì)靶標(biāo)活性位點(diǎn)具有較好潛在抑制活性的化合物,同時(shí),分?jǐn)?shù)高于吡草酮的化合物4′-氧-(赤型-β-愈創(chuàng)木脂甘油基)醚、4′-氧-(蘇型-β-愈創(chuàng)木脂甘油基)醚和(3R)-7-羥基-2′,4′,5′-三甲氧基-異黃烷-7-氧-β-D-葡萄糖苷不僅可以完全嵌入HPPD活性囊中,且存在與吡草酮相似的氨基酸殘基作用以及氫鍵和π-π堆積等作用。上述結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)新型高效的HPPD抑制除草劑具有重要的指導(dǎo)意義,也為使用計(jì)算技術(shù)開(kāi)發(fā)新型HPPD抑制劑除草劑提供了重要參考。

        關(guān)鍵詞:對(duì)羥基苯基丙酮酸雙加氧酶;除草劑;分子對(duì)接;天然產(chǎn)物;先導(dǎo)化合物;篩選;吡草酮

        中圖分類(lèi)號(hào): S482.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2020)24-0095-07

        眾所周知,雜草在農(nóng)作物的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中參與爭(zhēng)奪水分、養(yǎng)分、光照和空間,因而被公認(rèn)為是對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的普遍威脅[1-4]。除草劑是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中控制雜草的重要工具[5-6]。對(duì)羥基苯丙酮酸雙氧化酶(p-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase,簡(jiǎn)稱HPPD)是除草劑中最重要的靶標(biāo)酶之一[7]。它是一種與大多數(shù)生物體中的色素合成和酪氨酸分解代謝有關(guān)的重要酶,在農(nóng)業(yè)和治療領(lǐng)域的藥物發(fā)現(xiàn)中都非常重要[8-12]。在自然界中,HPPD催化4-羥基苯丙酮酸(p-hydroxyphenylpyruvate,簡(jiǎn)稱HPPA)轉(zhuǎn)化為尿黑酸(4-hydroxyphenylpyruvate,HGA),抑制HPPD會(huì)阻止光合作用,從而導(dǎo)致質(zhì)體醌和生育酚不足,并最終導(dǎo)致植物生長(zhǎng)抑制、壞死和死亡[13-16]。自20世紀(jì)90年代以來(lái),HPPD作為除草劑研究與開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要靶標(biāo)酶始終是農(nóng)藥化學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。以HPPD為靶標(biāo)的除草劑已上市多年,其中包括三酮類(lèi)、吡唑類(lèi)和異唑類(lèi)等[17-18]。然而,雜草對(duì)商品化除草劑的抗藥性不斷增強(qiáng)[19-20],以及它們對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的毒副作用,導(dǎo)致人們迫切地想從天然產(chǎn)物中尋找新型除草劑,從而減緩抗性的發(fā)展并減少環(huán)境污染[21-22]。目前,已有報(bào)道證明HPPD抑制劑的先導(dǎo)化合物可來(lái)自桃金娘科(Myrtaceous)植物的揮發(fā)油纖精酮(leptospermone)[23]。因此,基于天然產(chǎn)物的除草劑研究越來(lái)越受到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注[24-26]。

        天然產(chǎn)物具有多種生物學(xué)特性,常被用于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的病蟲(chóng)害問(wèn)題,特別是植物源天然活性物質(zhì),可為農(nóng)藥的活性結(jié)構(gòu)提供多種主要的先導(dǎo)構(gòu)型[27]。筆者所在課題組前期致力研究的透骨草和紫花苜蓿均為分布廣泛、藥用歷史悠久的多年生草本植物,其化學(xué)成分具有廣泛的生物活性,具備良好的植物殺蟲(chóng)劑和綠色除草劑開(kāi)發(fā)潛力[28-29]。另外,在農(nóng)藥研發(fā)領(lǐng)域,越來(lái)越多的研究通過(guò)使用計(jì)算化學(xué)在農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方面取得了重大突破。有研究者成功利用基于分子對(duì)接的虛擬篩選方法,得到HPPD抑制劑[30-31]。Fu等[32]成功構(gòu)建了基于藥效團(tuán)模型的虛擬篩選,利用分子對(duì)接技術(shù)識(shí)別HPPD活性位點(diǎn)關(guān)鍵殘基之間的相互作用,并識(shí)別出了潛在的HPPD抑制劑。分子對(duì)接已經(jīng)被證明是一個(gè)越來(lái)越重要的工具,其主要目的是通過(guò)計(jì)算方法預(yù)測(cè)配體-受體的復(fù)雜結(jié)構(gòu),對(duì)龐大的化合物庫(kù)進(jìn)行虛擬篩選,根據(jù)分?jǐn)?shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行排序,并分析配體-受體的作用方式,這在先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化中至關(guān)重要[33]。

        基于上述情況考慮,本研究通過(guò)分子對(duì)接技術(shù),從天然產(chǎn)物透骨草和紫花苜蓿中篩選出具有潛在HPPD抑制劑效用的化合物成分,以備后期對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,為進(jìn)一步設(shè)計(jì)出新型綠色的HPPD小分子除草劑提供重要參考。

        1 材料與方法

        1.1 軟件

        運(yùn)用軟件SYBYL-X 2.0(試用版)進(jìn)行分子對(duì)接操作,采用軟件Discovery Studio ViewerPro (DS ViewerPro) 5.0進(jìn)行對(duì)接模式分析。

        1.2 受體蛋白的收集與處理

        從RCSB蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取含有原配體的HPPD靶蛋白復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)(PDB ID:1T47),并以pdb文件格式下載保存。該晶體結(jié)構(gòu)(圖1)分辨率為2.50 ,符合對(duì)接的精確要求。利用Sybyl-X 2.0軟件對(duì)目標(biāo)蛋白進(jìn)行修飾,提取配體保存為1T47_ligand.mol2文件,去除靶蛋白中的水分子以及金屬離子,對(duì)晶體結(jié)構(gòu)中缺失的氨基酸殘基進(jìn)行修正,并加氫,然后再對(duì)蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,最后生成活性口袋,保存文件1T47_H-L-0.50-0.sfxc用于后續(xù)的Surflex-Dock對(duì)接。

        1.3 配體庫(kù)的構(gòu)建

        自天然植物透骨草和紫花苜蓿中分離提取出的化合物主要來(lái)源于課題組前期的研究[34-37]。將41個(gè)化合物的平面結(jié)構(gòu)保存為MDL Molfile (*.mol)格式,隨后將化合物的3D結(jié)構(gòu)以mol.2格式保存,建立化合物庫(kù)。

        1.4 分子對(duì)接

        利用Sybyl-X2.0軟件中的Surflex-Dock程序,分別導(dǎo)入準(zhǔn)備好的蛋白sfxc格式文件和小分子化合物,選擇之前提取出的1T47_ligand.mol2作為參考配體,其他對(duì)接參數(shù)設(shè)為系統(tǒng)默認(rèn)值即可開(kāi)始對(duì)接。對(duì)接完成后整理結(jié)果,借助DS ViewerPro 5.0軟件將化合物與靶蛋白的結(jié)合效果進(jìn)行可視化并構(gòu)成模式圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 對(duì)接結(jié)果

        在軟件的結(jié)果界面,可以看到每個(gè)配體-受體的對(duì)接得分,整理排序見(jiàn)表1。對(duì)接打分函數(shù) total-score 綜合考慮了分子極性、疏水性和焓值等因素,是評(píng)價(jià)小分子和蛋白結(jié)合能力強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn),打分越高表示受體與配體的親和能力越好。一般認(rèn)為,total-score大于或等于7分有較好活性,大于或等于9分有非常好的活性[38-39]。通過(guò)對(duì)接,篩選出結(jié)合效果較優(yōu)(即total score≥7)的化合物分子10個(gè)(圖2)。其中,化合物A、B、D、F、G、I是從透骨草中分離提取得到的,化合物C、E、H、J是從紫花苜蓿中分離提取得到的。值得注意的是,化合物A、B、C的對(duì)接得分高于商品化除草劑吡草酮(benzofenap,得分8.78),有望成為潛在的HPPD抑制劑先導(dǎo)化合物。

        2.2 可視化分析

        現(xiàn)以對(duì)接得分較高的這些候選分子為例,說(shuō)明這些化合物的對(duì)接模式,配體化合物結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。以蛋白1T47原配體和除草劑吡草酮的對(duì)接模式圖(圖3、圖4)為對(duì)照,分析這10個(gè)化合物分別與靶蛋白1T47的結(jié)合模式(圖5、圖6),通過(guò)比較說(shuō)明它們之間相似的相互作用模式。

        由圖3可看出,蛋白1T47中的配體與周?chē)陌被釟埢鵓he364、Phe336和Leu367有疏水相互作用,與Phe364和Phe336形成π-π堆積作用,與His270有氫鍵作用,Asn363連接在鹵素原子位置。由圖4可知,在吡草酮的對(duì)接構(gòu)象中,配體完全嵌入活性口袋中,化合物與Phe359、Phe336和His270形成了π-π堆疊式相互作用,Phe364處有氫鍵作用,吡草酮的苯環(huán)面對(duì)面地與Phe336相互作用,Val217、Pro243、Val232、Phe347、Phe367在烷基上發(fā)揮作用,且它們之間都存在疏水相互作用。

        由圖5可以直觀地了解到各個(gè)分子與靶蛋白1T47相對(duì)接的作用模式。化合物A與該蛋白的Glu349、Asn245、Thr295、Lys252有氫鍵作用,其中Asn245作用于羰基,Glu349和Thr295作用于羥基。該化合物與Gln255生成碳?xì)滏I,與Val189、His270、Phe336、Phe364、Leu367、Leu293存在疏水相互作用。配體B與1T47的Ser230、Phe359、Thr295有常規(guī)氫鍵作用,與Gln255和Gly360產(chǎn)生碳?xì)滏I,與Phe364和Phe336有π-π堆疊式作用,與Pro243、Leu293、Leu228、His270以及Leu367存在疏水相互作用。配體C與1T47的Asn245和Phe359有常規(guī)氫鍵作用,與His270產(chǎn)生碳?xì)滏I,與Phe364、Phe336、Leu293和Leu367存在疏水相互作用。

        由圖6可看出, 化合物D中, Glu349生成了范德華力,His270、Phe359和Gly360有常規(guī)氫鍵作用,Thr295、Glu215處有碳?xì)滏I生成,Ser230存在供氫作用,Leu293對(duì)烷基作用,Phe336在苯環(huán)處形成 π-π 疊加作用?;衔顴中Gln255與Gln269在環(huán)上3個(gè)羥基處有常規(guī)氫鍵作用,Phe364作用于苯環(huán)產(chǎn)生堆疊效果,Ser230、Phe359、GLY360和Gln334處分別有碳?xì)滏I生成,Val232與Val217作用于烷基,存在疏水相互作用?;衔颋中His187和Glu349產(chǎn)生范德華力,Asn245在羰基和羥基處、Gln255在氧原子處以及His 270在羥基處均有常規(guī)氫鍵作用,Phe364和Phe336在苯環(huán)上形成T形作用,Val189垂直于苯環(huán)內(nèi)產(chǎn)生烷基作用?;衔颎中Ser230在羰基處和Thr295在羥基處有常規(guī)氫鍵作用,Phe364在苯環(huán)上有π-π疊加作用,Val217、Val232、Phe359三者均連在末端烷基位置上,Leu367和Leu293呈對(duì)立面作用在苯環(huán)上?;衔颒中Lys252和Asn245連在氧原子上產(chǎn)生氫鍵作用,TYR225和Phe364位于架構(gòu)前端有碳?xì)滏I,Phe336在苯環(huán)上有π-π疊加作用,Leu367有烷基作用?;衔颕中在羰基處的殘基Asn245和羥基處的Gln334存在常規(guī)氫鍵作用,Ser230連接在碳?xì)滏I上,Phe364和Phe359在苯環(huán)上產(chǎn)生π-π堆疊式作用,Val232、Val189和Pro243作用于烷基,也存在疏水作用?;衔颙中Gln269、Ser230連在氧原子上,以及羥基處的Gln255都產(chǎn)生常規(guī)氫鍵作用,Phe364在苯環(huán)上形成T形作用。

        3 討論與結(jié)論

        吡草酮是一種典型的吡唑類(lèi)商品化除草劑,2-苯甲酰基乙烯-1-醇基團(tuán)作為一個(gè)共同的結(jié)構(gòu)單元,存在于其化合物分子或其異構(gòu)體或其代謝物中,充當(dāng)?shù)孜颒PPA的α-酮酸部分的等排體,并且,2-苯甲?;蚁?1-醇基團(tuán)具有與HPPA競(jìng)爭(zhēng)HPPD活性中心的能力。由此可見(jiàn)植物進(jìn)入白化狀態(tài)是歸因于其吡唑部分與HPPD的結(jié)合和它的酶抑制性[40]。吡唑類(lèi)結(jié)構(gòu)主要包括吡唑部分和苯環(huán)部分,近年來(lái)不斷有研究對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,特別是苯并雜環(huán)類(lèi),發(fā)現(xiàn)了許多優(yōu)秀的廣譜除草劑先導(dǎo)化合物[10,41-43]。

        通過(guò)分子對(duì)接模擬,我們發(fā)現(xiàn)抑制劑小分子的烯醇結(jié)構(gòu)是與氨基酸殘基配位的關(guān)鍵,另外一個(gè)重要的作用力就是小分子與氨基酸殘基形成的 π-π堆積作用[44]。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),在蛋白1T47原配體和吡草酮的對(duì)接結(jié)果中,Phe359、Phe336、His270、Phe364等氨基酸殘基在活性位點(diǎn)發(fā)揮了重要的作用,同時(shí),本課題組經(jīng)虛擬篩選得到的分?jǐn)?shù)高于吡

        草酮的化合物(A、B、C)不僅可以完全嵌入HPPD活性囊中,而且周?chē)即嬖陉P(guān)鍵的氨基酸殘基參與作用,與蛋白1T47原配體和吡草酮中產(chǎn)生的氫鍵和 π-π 堆積等作用相似。這些共同點(diǎn)證明了這3個(gè)化合物有潛力成為HPPD抑制劑的先導(dǎo)化合物,可用作進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)新的HPPD潛在抑制劑的依據(jù)。本研究提供了一套基于分子對(duì)接篩選HPPD抑制劑先導(dǎo)化合物的方案,為后期設(shè)計(jì)、合成新型綠色高效的HPPD抑制劑除草劑提供了參考。

        致謝:由衷地感謝Tripos公司提供的軟件SYBYL-X 2.0(試用版),為本研究中進(jìn)行分子對(duì)接創(chuàng)造了技術(shù)條件。

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