【Discovery Studio应用案例】新型HPPD抑制剂的发现：虚拟筛选、分子设计、结构修饰和生物学评价

4-羟基苯基丙酮酸双加氧酶（EC 1.13.11.27，HPPD）是1970年代发现的除草剂的目标。对乙酰乳酸合酶（EC 4.1.3.18，ALS）抑制剂和乙酰辅酶A羧化酶（EC 6.4.1.2，ACCase）抑制剂具有抗性的杂草的进化需要其他作用模式，包括HPPD抑制剂。HPPD参与酪氨酸分解代谢，其中L-酪氨酸通过酪氨酸氨基转移酶催化的转氨转化为4-羟基苯基丙酮酸（HPPA），然后HPPA通过HPPD催化的复杂生化反应转化为高龙胆酸（HGA）（图1）。因此，HPPD抑制剂的机理是抑制质体醌和生育酚的合成，从而阻断光合作用，引起漂白症状、坏死和死亡。高除草活性、宽除草谱和低抗性风险是HPPD抑制剂的主要优点。杂草对除草剂活性成分形成了非靶点抗性。这凸显了开发新型HPPD除草剂的重要性和紧迫性，以有效应对杂草抗性挑战，提高杂草控制效率。

图1 HPPD作用通路

而CADD策略不仅适用于医药学科，同时也契合农药学科。基于药效团模型和分子对接，近年来已近年来已成功应用于农药发现，通过药效团模型筛选获得了许多潜在的HPPD抑制剂，其中分子对接用于分析特定的结合模式和配体与蛋白质的相互作用。来自东北农业大学文理学院化学系的付颖院长团队近期在Pesticide Biochemistry and Physiology期刊上发表了相关工作。

作者选择了三种市售的含有三酮结构的HPPD抑制剂除草剂和五种具有良好HPPD抑制活性的化合物（图2），然后作为训练集在BIOVIA Discovery Studio软件上使用HipHop算法生成含有共同特征的药效团模型。然后基于文献和数据库选择了其他8种活性化合物和9种非活性化合物作为测试集（参数设置可见原文）。除此之外，还使用基于HPPD受体晶体结构生成受体-配体复合物的药效团模型（图3）。然后使用这两种模型对PubChem中所有含有三酮结构的化合物（百万级数量）进行虚拟筛选，然后将筛选得到的1600多个化合物使用BIOVIA Discovery Studio的LibDock进行分子对接做二次筛选，选择LibDock score>95的164个小分子使用CDOCKER做进一步实验前筛选，最终获得4个作为HPPD抑制剂的潜在小分子（2a∼2d，图4）。

图2 HipHop的训练集化合物

尽管，通过虚拟筛选的到4中化合物均和上市农药甲基磺草酮具有最相似的结合位置和主要的配体残基相互作用，但这些分子的-CDOCKER能量低于甲基磺草酮。同时化合物2a的-CDOCKER能量最高。因此，选择化合物2a作为结构改性的模板，以期提高-CROCKER能量，HPPD抑制和除草活性（图5）。这些修饰有望分别缩短配位键长度和π-π堆叠相互作用距离。

图5 修饰化合物2a的方案

在之前的研究中，作者设计了一系列芳基-甲酰基哌啶酮衍生物且这些新化合物是有效的HPPD抑制剂，在这次研究中通过骨架跃迁的方式将哌啶酮基序引入化合物2a中，设计出化合物IV的3种衍生物IV-abc（图6）。然后通过生测比较三种衍生物和甲基磺草酮的抑制活性、除草活性以及作物安全性（图7）。

图6 化合物V-a、IV-b、IV-c的性质信息

接着通过ADMET和分子对接详细比较了三种新化合物和甲基磺草酮的性质和除草机制，最终表明，化合物IV可以作为设计新型HPPD抑制剂的先导化合物。

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