MEP途径IspD酶抑制剂先导结构化合物的设计合成和生物活性研究

The discovery of new herbicides based on new target proteins is the stringent need for the pesticide development, and it is also an effective route to solve the problem of herbicidal resistance development in weeds and to meet the higher requirements of environmental and ecological protein and management. This project will focus on the key target protein IspD in the 2C-methyl-d-erythritol 4-phosphate pathway (MEP) in plants, and initiate the works on the design and synthesis of lead structure compounds targeting the protein IspD using the structure-based drug discovery methodology and the bioactivity assay. Main contents in this project will include the construction of the virtual compound libraries with the structural characters containing the hydrophobic groups and the heterocycles with multiple H-bonding donors/acceptors in terms of the features of the allosteric site of IspD enzyme, the virtual high throughput bioactivity screening using the IspD crystal structure model, the design and synthesis of lead hit compounds and their structural optimization, the expression and purification of the IspD protein from the plant Arabidopsis Thaliana and the experimental high throughput bioactivity screening method based on the target protein, in vivo activity toward model plants and the structure-effect relationship, and the investigation of the action mechanism of highly bioactive lead compounds based on the molecular probe strategies. The ultimate goal of this project is the discovery of 2 or 3 lead compounds with new structures and high bioactivity as well as the establishment of the methodology for the research on the action mode of IspD target-based inhibitors.

基于新靶标的除草剂创制研究是当前农药发展的迫切需要、是解决当前杂草抗性发展问题和满足环境生态高要求有效途径之一。本项目拟以植物2C-甲基赤藓糖-4-磷酸途径（MEP途径）关键酶IspD为靶标，开展基于结构的除草剂先导结构化合物的设计合成和生物活性研究。研究内容包括基于IspD靶标结构的含有疏水基团和多重氢键给体/受体杂环结构的虚拟化合物库构建和虚拟筛选、先导结构化合物的设计合成和结构优化、拟南芥靶标蛋白IspD的表达纯化和基于靶标的高通量筛选方法、化合物对模式植物抑制的活体生物活性和构效关系、基于高活性化合物为分子探针的抑制作用机理研究等。本项目研究目标是发现2-3个高活性的MEP途径IspD酶抑制剂、建立IspD酶抑制剂作用机制的研究方法。

基于新靶标的除草剂创制研究是当前农药发展的迫切需要、是解决当前杂草抗性发展问题和满足环境生态高要求有效途径之一。本项目拟以植物2C-甲基赤藓糖-4-磷酸途径（MEP途径）关键酶IspD 为靶标，开展基于结构的除草剂先导结构化合物的设计合成和生物活性研究。.研究工作的第一部分是基于IspD 靶标结构的含有疏水基团和多重氢键给体/受体杂环结构，以及现有文献报道的IspD抑制剂的分子结构特点，构建了虚拟化合物库，通过虚拟筛选和先导结构优化，合理设计了多个类型的化合物用于化学合成。第二部分工作是完成了先导化合物的合成，合成了三唑并嘧啶（138个）、吡唑并嘧啶（57个）、苯并噻唑（66个）、氨基嘧啶（40个）、苯基吡咯和苯基吡唑（80个）、苯甲酰环己二酮（40个）等六类新化合物合计421个，建立了这些结构类型化合物的合成方法。第三部分工作是建立了模式植物拟南芥IspD酶蛋白的克隆表达、纯化、酶活性标定、以及基于IspD酶的抑制剂高通量筛选方法。对全部合成的化合物进行了酶水平和模式植物水平的生物活性测试，结果表明三唑并嘧啶类、苯基吡咯类和苯基吡唑类化合物对IspD酶和模式植物均能表现出很高的抑制活性。第四部分工作是选择高活性的三唑并嘧啶类化合物开展分子探针的设计合成，并研究了探针分子与IspD酶蛋白和模式植物拟南芥的相互作用，初步验证了这类化合物的作用靶标是IspD酶，阐明了这列化合物探针分子的抑制作用机制。.本项目建立了比较系统的以MEP途径关键酶IspD为靶标的抑制剂研究方法，对于基于新靶标的新型除草剂创制研究具有重要意义。本项目工作发现了三唑并嘧啶类和苯基吡咯类多个高除草活性化合物，为后续研究奠定了良好的基础。