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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)酶已引起越來越多的關(guān)注。基于分子對(duì)接技術(shù),以HPPD靶蛋白為受體,通過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,HPPD作為除草劑研究與開發(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、吡唑類和異唑類等[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)中的病蟲害問題,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劑和綠色除草劑開發(fā)潛力[28-29]。另外,在農(nóng)藥研發(fā)領(lǐng)域,越來越多的研究通過使用計(jì)算化學(xué)在農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)與開發(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)越來越重要的工具,其主要目的是通過計(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,說明這些化合物的對(duì)接模式,配體化合物結(jié)構(gòu)見圖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),通過比較說明它們之間相似的相互作用模式。

    由圖3可看出,蛋白1T47中的配體與周圍的氨基酸殘基Phe364、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?;衔顰與該蛋白的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。化合物E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。化合物G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商品化除草劑,2-苯甲?;蚁?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]。吡唑類結(jié)構(gòu)主要包括吡唑部分和苯環(huán)部分,近年來不斷有研究對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,特別是苯并雜環(huán)類,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,而且周圍都存在關(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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