2023年03月28日太阳2張金林教授團隊在農林科學一區Top期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry (IF=5.895)上在線發表了題為 “Discovery of Bis-5-cyclopropylisoxazole-4-carboxamides as Novel Potential 4Hydroxyphenylpyruvate Dioxygenase Inhibitors” 的學術論文🛀。研究基於新型除草劑靶標對羥基苯基丙酮酸雙氧化酶（HPPD），采用多靶點農藥設計策略，設計合成了一系列具有不同“linker”的雙異噁唑酰胺類化合物。其中🏋🏿♂️，化合物b9和b10在溫室條件下，施藥量為90 g (ai)/ha時，對馬唐和反枝莧的抑製率分別達到90%和85%🦅，優於商品化除草劑異噁唑草酮👩🏿🚒，作用機製研究表明b9和b10與HPPD的活性位點親和力更強⛸，與靶點活性口袋CoⅡ離子形成強配位作用。我校農藥學博士楊冬臣和理太阳2教授級高級實驗師王彥恩為該論文的共同第一作者，我校張金林教授為通訊作者🫸🏽。研究工作得到了國家自然科學基金（31871981，32001927和32272573）、河北省博士後科研項目擇優資助（重點😛，B2019005008）、河北省博士研究生創新資助項目（CXZZBS2022048）等項目資助🔟。
對羥基苯基丙酮酸雙氧化酶（HPPD；EC 1.13.11.27）是重要的新型除草劑靶標。迄今為止，商業化的HPPD除草劑主要有四類，包括三酮𓀁、吡唑👩🏼✈️👔、異噁唑和二酮腈（DKN），有趣的是雜草對商品化的HPPD類抑製劑抗性發展緩慢且很少出現耐藥性💁🏻♂️，因此👈，該類除草劑廣泛應用於抗性雜草治理🟩🏃🏻。本研究基於HPPD結構特點，采用多靶點農藥設計策略，增加抑製劑與酶之間的結合作用位點數量可能是設計新的HPPD抑製劑除草劑的有效策略，基於該策略不同的連接體將兩種相同的5-環丙基異噁唑-4-甲酰胺偶聯🌵，設計合成了雙-5-環丙基異噁唑-4-甲酰胺類化合物，並用MS、NMR和HRMS對其結構進行了表征。生物測定結果表明，小杯法試驗結果顯示🎾，與異噁唑草酮相比，化合物b9和b10在10-100 mg/L時對馬唐和反枝莧表現出更好的抑製活性；溫室試驗結果顯示🥷🏿，在施藥量為90g（ai）/ha時，化合物b9和b10對馬唐和反枝莧的抑製活性分別為90%和85%。
Figure 1. Molecular design of target compounds.
為探索其作用機製，研究采用高分辨率的HPPD晶體結構（PDB ID 7X5Y，分辨率 1.5 Å）作為研究載體與目標化合物進行分子對接分析其相互作用模式。與異噁唑草酮類似，這些化合物可能在體內傾向於轉變成二酮腈形式👨🏼🍼，因此采用異噁唑草酮作為參考。對接結果顯示與異噁唑草酮相同👨🏻✈️，化合物b9和b10與AtHPPD的活性位點匹配良好，並與活性中心CoⅡ螯合形成穩定的雙齒配位作用。它們中的每一個都與一個水分子和三個保守殘基（His 226、His 308和Glu 394）形成八面體復合物，其結果與異噁唑草酮表現抑製🎸，說明HPPD可能是化合物b9和b10的潛在靶標。同時研究進行了500 ps的分子動力學模擬研究化合物與AtHPPD結合的動態穩定性，結果顯示化合物b9和b10均能在AtHPPD活性位點穩定結合。動力學分析結果顯示CoⅡ螯合到異噁唑草酮的兩個羰基氧原子的距離分別為2.13±0.02和2.08±0.03Å，而化合物b9和b10的相應距離分別為1.93±0.02 Å🥾、1.71±0.02Å和1.70±0.02 Å、2.08±0.02Å𓀅。因此，與異噁唑草酮相比👨🏼🦱，化合物b9和b10可以更緊密地與HPPD的活性位點結合，並與CoⅡ離子形成更強的配位。
Figure 3. Simulated binding modes of the DKN forms of (A) compound b9, (B) compound b10, and (C) IFT acting on AtHPPD. The key residues in the active site are shown in blue sticks, and CoII is shown as a purple sphere. The structures of compounds are shown as yellow sticks.
張金林教授團隊自2012年開始從事新農藥創製相關研究工作🚾，在國家自然科學基金項目（31171877、31871981🫲🏽、32272573）資助下🪵，取得了一系列創新性研究成果。尤其在農藥環境毒理與科學使用創新團隊成立後，綠色農藥靶標分子設計與合成方向迅速發展，近三年來在Journal of Agricultural and Food Chemistry🧖🏿♂️、Organic Letters、Science Of The Total Environment等期刊上發表高水平學術論文10余篇。本研究基於多靶點藥物設計策略，設計合成出化合物b9和b10具有良好的除草活性，可以作為靶向HPPD酶的潛在先導化合物♾，為HPPD酶的新型除草劑的合理設計和抗性雜草治理提供了重要指導。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.2c08912
