具有除草活性的不对称芳香二硫醚类化合物的设计合成、构效关系及作用机制研究

Acetohydroxyacid synthase (EC 2.2.1.6, AHAS) is a key target enzyme of green herbicides. From our previous study, we have for the first time found that some unsymmetrical aryl disulfides exhibited not only strong inhibition against Arabidopsis thaliana AHAS (AtAHAS), but also good herbicidal activity using pot bioassay. Moreover, some compounds also displayed good inhibition against resistant AtAHAS. All these findings indicate that unsymmetrical disulfides are a class of novel AHAS inhibitors. For this project, we will develop simple synthetic methods, design and synthesize 80 to 100 new unsymmetrical disulfides. Secondly, we will measure the in vitro inhibition against AtAHAS and the in vivo herbicidal activity of these compounds, and set up experiments to see if the herbicidal activity is due to AHAS inhibition. Thirdly, we will carry out co-crystallization of AHAS/disulfide, solve the crystal structure and study the mode of action of this new class of AHAS inhibitors at atomic level, which will help to investigate the structure-activity relationship. Finally, we will try to establish a dynamic combinatoral chemical model based on AHAS inhibition, and develop novel molecular design strategy for the unsymmetrical aryl disulfide AHAS inhibitors, from which more potent inhibitors can be discovered. This project will build strong theoretical basis for the discovery of totally novel AHAS inhibitors through this integrated research.

乙酰乳酸合成酶AHAS是绿色除草剂的重要作用靶标。通过前期研究，我们首次发现不对称芳香二硫醚类化合物不仅在体外对拟南芥AHAS有很强的抑制活性，而且在盆栽水平表现出良好的除草活性，对某些抗性的AHAS也有明显的抑制活性，是结构全新的AHAS抑制剂。本项目将发展简单的合成方法，设计合成80-100个新结构的不对称芳基二硫醚类化合物；测定化合物对拟南芥AHAS的抑制活性和对单双子叶模式植物的除草活性，并考察除草活性是否由AHAS被抑制引起；将代表性高活性不对称二硫醚化合物与AHAS进行复合物结晶,开展结构解析，从分子水平上研究该类AHAS抑制剂的作用方式，并依此进行系统的3D-QSAR研究；摸索发展基于AHAS诱导的动态组合化学方法，研究不对称芳香二硫醚类AHAS抑制剂的全新分子设计策略，并通过此方法发现高活性抑制剂。通过系统研究，为发现全新结构类型的AHAS抑制剂先导结构奠定坚实的理论基础。

我们前期基于拟南芥乙酰乳酸合成酶AHAS复合物晶体结构进行虚拟筛选，发现具有二硫醚结构的一类化合物对植物AHAS表现出抑制活性，结合此前韩国汉阳大学研究小组高通量筛选发现二硫醚化合物具有抗结核菌AHAS的生物活性，初步认为这是一类结构新颖的AHAS抑制剂。本项目基于这些信息，设计合成了几类具有不对称芳香二硫醚结构的新化合物100余个，分别含有三唑环、噻二唑、噻唑、咪唑等一系列五元杂环和各种取代苯环，通过单晶结构确认了化合物中二硫键的存在；在体外对AHAS酶的抑制活性进行测定后，发现该类化合物对拟南芥AHAS表现出较好的抑制，将高活性化合物对突变型W574L进行活性测定，发现其具有一定反抗性，说明该类抑制剂可能与商品化类型在作用机制上存在差异；平皿法进行除草活性测定后，发现该类化合物对于油菜根长生长有抑制效果，通过补充支链氨基酸后代表性化合物抑制活性降低，表明其除草效果是来源于AHAS被抑制而引起，在盆栽模型上对高活性化合物进行除草效果测定，发现其在100克/亩的剂量下对双子叶杂草表现出80-100%的抑制效果，可作为除草剂先导化合物开展进一步的研究。为了合成二硫醚类化合物的方便，我们通过文献调研，条件摸索，找到了不对称芳香二硫醚类化合物之间发生二硫键交换的简单易行的条件，为进一步构建动态组合化合物库以便寻找更高活性的化合物提供了新的方法。通过开展国际合作，我们首次得到了拟南芥AHAS的纯酶结构，对晶体结构进行解析之后，发现拟南芥AHAS催化亚基的纯酶结构与酵母AHAS的纯酶结构在结合位点有较大的区别，有助于进一步深入理解靶向AHAS的除草剂的作用机制。同时，我们在研究中还发现，某些不对称芳香二硫醚类化合物对心肌炎病毒3C蛋白酶具有很好的抑制效果，在一定剂量下表现出抗病毒活性，且细胞毒性较低，为研究开发抗心肌炎病毒药物提供了线索；另外，另一部分不对称二硫醚类化合物对于SARS冠状病毒主蛋白酶具有非常好的抑制效果，作用机理相对独特，为研究潜在的抗SARS病毒药物也提供了思路。目前在J. Agric. Food Chem., Bioorg. Med. Chem. Lett., Eur. J. Med. Chem., 农药学学报发表基金标注论文4篇，其余2篇分别处于修改和投稿阶段，获得中国发明专利授权2项，新申请已公开中国发明专利3项。