新型HPPD抑制剂的设计、合成及除草活性研究

4-Hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD) recently has received much interest because of its broad spectrum, high efficiency, good environmental compatibility, almost no resistance to the reports and other advantages. Research shows that, there is a great difference between the different sources of HPPD structure, but most of the current commercial inhibitors showed inhibitory activity on hHPPD better than on AtHPPD. Therefore, the design and synthesis of new highly selective HPPD herbicide has great significance. Therefore, the interactions between various herbicides and different sources of HPPD will be investigated systematically, using the combination of the techniques of organize synthesis, molecular biology and molecular modeling, to find out some residues in plant pocket of HPPD, which can make specific interaction with the inhibitors. As a result, the rules of interactions between HPPD and various herbicides will be summarized to understand the molecular mechanism of selective generation, and then design and synthesis of novel selective inhibitor molecules with high inhibitory activity on AtHPPD through Pharmacophore-linked Fragment Virtual Screening （PFVS）method. The project will lay a foundation of further development of new high selectivity HPPD inhibitor.

对羟基苯基丙酮酸双氧化酶（HPPD）抑制剂具有广谱、高效、环境相容性好，鲜有抗性的报道等优点，是除草剂研究的热点领域之一。不同来源的HPPD结构差异较大，但目前大部分商品化抑制剂对人源HPPD表现出比植物源HPPD更好的抑制活性。如何设计合成出对植物源HPPD具有高抑制活性的高选择性新型除草剂是一个具有理论和实际意义的研究课题。本项目拟将有机合成技术、分子生物学技术与计算机模拟技术进行有机结合。通过深入研究不同类型商品化药剂与不同来源HPPD的相互作用，找出与植物源HPPD结合口袋中可能与抑制剂发生特异性相互作用的氨基酸残基，揭示选择性产生的分子机制。在此基础上，采用药效团连接碎片虚拟筛选方法设计合成选择性对AtHPPD具有较高抑制活性的分子，力争获得1-2个结构新颖、选择性更高、并具有广谱高效除草活性的HPPD抑制剂分子。该项目将为进一步开发新型HPPD抑制型除草剂奠定坚实的基础。

本项目运用分子对接和分子动力学方式对商品化除草剂Mesotrione (硝磺草酮)和Topramezone（苯吡唑草酮）与拟南芥HPPD（PDB code:1SP9）的作用模式。阐明了小分子对植物源HPPD具有高选择性的分子机制。在其指导下，设计合成得到含有喹啉结构的三酮类衍生物和含喹唑啉二酮片段的三酮类衍生物 150个。对所合成的化合物进行了AtHPPD抑制活性测试，绝大多数化合物对表现出优异的酶抑制活性。通过比较所合成的化合物Y13544（低活性）、Y12340（较高活性）和Y13298 （高活性）与拟南芥HPPD的作用模式进行了分析。发现小分子的环己二酮环的5位两个甲基和空间位阻较大的间氟苄基同时存在时，化合物活性的降低，而中间的苯环上引入一个甲基有利于小分子酶抑制活性提高。温室盆栽测试结果也显示部分化合物表现出较好的除草活性和作物安全性。2个高活性化合物进行了田间药效实验，有产业化开发前景。说明设计对AtHPPD具有特异性敏感的抑制剂可以作为选择性HPPD抑制剂设计的一种新思路。本项目在国际SCI期刊J. Agric. Food Chem.，Tetrahedron等上发表论文6篇，核心期刊上发表论文2篇。申请国际PCT 专利1项，获得中国专利授权5项。