基于靶标BRI1的新型油菜素内酯受体激动剂的合理设计

Brassinolide (BL) belongs to brassinosteroids (BRs) phytohormones, which has extremely higher biological activities and plays crucial roles in plant growth and development, stress-resistance, yield and quality, etc. However, the natural content is extremely low and the separation and synthesis of BL is very difficult. The main active component of this class of plant growth regulators (PGR) on the market is 24-epibrassinolide (24-epiBL), the stereoisomer of BL. But the cost of 24-epiBL is still a little higher limiting its popularization and application. Hence, it is of great practical significance to develop novel molecules to replace BL. The crystal structure of BL receptor BRI1 was reported in 2011, which provides possibilities for deeply understanding the interaction mechanism between BL and its receptor and the molecular design. Hence, structure-based design and evaluation of novel BL analogs will be studied by using the techniques of computational chemistry, organic synthesis, and bioassay. We will first investigate the binding modes between BRs and BL receptor BRI1 by molecular docking, illustrate the interaction mechanism. Then, carry out initial virtual screening by receptor based pharmacophore model and molecular docking, and do further screening by energy minimization and binding free energy calculation to gain novel agonists of BRI1. This project will provide lead structures to develop BRs plant growth regulators with lower cost and higher activity used for agriculture.

油菜素内酯（BL）是油菜素甾醇类（BRs）植物激素，生理活性极强，对植物的生长、发育、抗逆性、产量和品质等都起着重要作用。由于天然含量少，且分离和合成都非常困难，目前常用的是24-表油菜素内酯，但其成本仍然过高。因此，开发新型的BL类似物是一个具有重要实际意义的研究课题。 2011年BL受体的晶体结构被解析，这为深入研究BL与其受体之间的相互作用机制以及设计新型的BL类似物提供了可能。为此，本项目将结合计算化学、有机合成及生物活性测试等多种技术，开展基于受体结构的新型BL类似物的合理设计与活性测试研究，拟采用分子对接方法探索BRs与BL受体BRI1的结合模式，阐明其相互作用机理；在此基础上进行基于靶标的药效团和分子对接虚拟筛选，并通过能量优化和结合自由能计算进行复筛，从而获得新型的BL受体激动剂。本项目的实施将为进一步开发具有实际应用价值的高活性、低成本BRs类植物生长调节剂提供先导结构。

BRs作为最新发现的“第六类”植物激素，具有促进植物生长、调控植物发育、增强植物的抗逆性、提高作物产量和品质等作用，吸引了世界各国农业科学家的高度关注。该类分子在化学结构分类中属于甾体类分子，活性较高的BRs的合成及分离成本之高限制了其在农业生产中的应用，因此，开发新型的BL类似物是一个具有重要实际意义的研究课题。. 本项目首先对一系列5α胆甾烷类衍生物进行了定量结构活性关系分析。通过GOLD分子对接及MM-PBSA结合自由能计算研究了其结构与活性之间的定量关系，总结了影响化合物活性的配体结构特征（A环羟基取代、B环羰基、侧链羟基取代）及受体氨基酸（受体BRI1中的Tyr 599、Arg 640、Tyr 642、Ser 647，共受体BAK1中的Tyr 60、His 61、Val 62）。对BRI1-BL，BRI1-BL-BAK1复合物结构的长达20ns的分子动力学模拟分析结果表明蛋白构象没有明显的变化；明确了在构建药效团模型时必须要考虑的关键相互作用。在此基础上用LigandScout构建了基于结构的药效团模型，包含三个疏水特征、四个氢键受体特征和一个氢键给体特征。用该模型筛选包含29.3万个化合物的Specs数据库，得到了56个与药效团匹配的化合物；进一步通过分子对接预测结合模式及细致的相互作用可视化分析，得到了6个候选分子。通过实验验证，最终获得了2个非甾体类新型油菜素内酯受体激动剂。本项目为进一步设计开发高活性、低成本的类油菜素甾醇植物生长调节剂奠定了理论和实验基础。.