重要农药靶标原卟啉原氧化酶动态构象与酶功能的关系研究

Protoporphyrinogen IX oxidase (PPO), an important target for herbicides, is distributed widely throughout nature. Studies of the structure and function of protoporphyrinogen IX oxidase have been stimulated by the discovery that diphenyl ether-type herbicides are very potent inhibitors of protoporphyrinogen oxidase activity of yeast, mammal and plant mitochondria, and plant chloroplasts in vitro. A hypothesis on the dynamics of interaction network regulates kinetics for PPO was suggested based upon our previous studies: there are some clusters of important amino acid residues, which could regulate the function of PPO enzyme by affecting the conformational distribution at equilibrium steady state of PPO enzyme..In this project, we will test the hypothesis, and focus our efforts on the find of the clusters of important amino acid residues and the investigation of the relationship between sequence-structure-function of PPOs from various species through molecular biology, structural biology, network theory and computational chemistry by combining Prenzyme: a protocol for predicting mutant enzyme properties through MD/conformational distribution statistical analysis. The result may provide new opportunities for designing selective herbicides for pest management.

广泛存在于动物、植物、真菌和细菌中的原卟啉原氧化酶（PPO)是重要的除草剂靶标。对其功能的深入理解，是设计靶向该酶种属选择性除草剂分子的关键。基于前期研究，我们提出：PPO酶中存在着一些重要氨基酸残基簇，它们通过动态调控PPO酶活性空腔的构象分布，调控酶活性，即存在动态网络调控机制。在本项目研究中，我们拟以不同种属PPO酶及其突变体为研究体系，通过分子模拟、复杂网络分析方法、结构生物学以及分子生物学等技术，结合我们已经建立的PPO酶优势构象群分布概率与酶活性关系（Prenzyme），系统发现不同种属PPO酶中影响酶功能动态调控的重要氨基酸残基簇，建立对不同种属PPO酶功能的定量构效关系。该研究有助于更深入理解PPO酶发挥功能的本质；有望识别PPO酶新功能残基、残基簇，发现酶发挥功能的新方式，为靶向PPO酶的高选择性除草剂分子设计提供新的作用位点及新思路。

广泛存在于动物、植物、真菌和细菌中的原卟啉原氧化酶（protoporphyrinogen oxidase，PPO，EC 1.3.3.4）是一个具有重要农学和医学意义的药物靶酶。众多商品化除草剂靶向PPO酶，应用于大豆、玉米、水稻和棉花等作物种植。种属选择性是针对该靶标设计、开发除草剂必然面对的问题。而药物长期使用所造成的靶标抗性也时有发生，同样也为药物设计带来了新的挑战。人体中PPO酶的异常是导致混合型卟啉症(Variegated Porphyria，VP)直接原因，药物调控与基因治疗都将为病患带来希望。该项目旨在深化对PPO酶功能机制的理解，为选择性及抗性规避药物的设计、基因治疗的可行性提供有价值的信息。.在本项目的研究中，依据任务书，我们以不同种属原卟啉原氧化酶及其突变体为研究体系，在结构生物学、分子模拟的基础上，综合酶行使功能的动态本质与高度结构化特征，以氨基酸为节点，以氨基酸之间的“相互作用”为“边”构建了PPO酶动态网络。网络分析表明，这一网络具有无标度、小世界与模块化等显著的复杂网络拓扑特性。模块化特性的进一步分析发现：网络中存在的多层次并且相互重叠的社团，并且第一级社团与人源PPO（hPPO）的三个结构域存在明显的对应关系，这表明以抽象的网络结构为基础可以识别出蛋白质中潜在的由多个氨基酸残基组成的功能模块氨基酸簇。除此之外，从网络不同的结构特征角度出发识别出了一系列功能节点，它们对应PPO中的氨基酸残基的功能通过分子生物学实验得到进一步阐释。.综上，本项目采用计算化学方法从动态的角度对原卟啉原IX氧化酶进行了研究，同时将复杂网络理论应用于残基水平的蛋白质功能研究。识别了PPO酶新功能残基及残基簇；研究了酶发挥功能的远端调控方式，进而在更深层次上揭示酶的功能本质；为功能保守的原卟啉原氧化酶家族低同源序列特性提供拓扑结构上的解释，为酶功能改造提供基础信息。同时复杂网络分析理论在研究复杂系统整体行为及系统内部层次结构方面显现出了独特的优势，为揭示生命的复杂本质提供了新的视角。