华中师范大学杨光富教授团队JACS：冷冻电镜揭示杀菌剂Metyltetraprole作用机制并指导新型杀菌剂分子设计

甲氧基丙烯酸酯类（strobilurin）杀菌剂是在全世界范围内广泛应用的一类农用杀菌剂，该类杀菌剂通过与病原菌线粒体呼吸链bc₁复合物（复合物III）的Q_o位点相结合，阻断呼吸链的电子传递，影响三磷酸腺苷（ATP）产生，进而影响病原菌的能量供给以达到杀菌效果。吡唑醚菌酯（Pyraclostrobin，PYR）和嘧菌酯（Azoxystrobin，AZO）是代表性的strobilurin 类杀菌剂，具有高效、广谱、渗透性好、环境较友好等优点，被广泛应用于植物病原菌的防治。然而，由于作用位点单一，植物病原菌对strobilurin类杀菌剂的抗药性日益严重，杀菌剂抗性行动委员会已将其归为高抗性风险杀菌剂。Metyltetraprole（MET）是由巴斯夫和住友化学共同开发的四唑啉酮类杀菌剂，FRAC将其归类为新型Q_o位点抑制剂。MET对多种真菌病害有较好的防效，包括重要的麦类病害（如小麦叶枯病），并且可用于防治对strobilurin类杀菌剂已产生抗药性的病原菌。然而，MET的作用模式和反抗性机制尚不明确。

华中师范大学绿色农药全国重点实验室杨光富教授（点击查看介绍）团队长期从事农药创制基础研究，在农药分子设计方面取得了系统的研究成果，建立了基于活性小分子与作用靶标相互作用研究的农药生物合理设计创新研究体系。该团队采用冷冻电镜技术系统研究了MET与靶标蛋白复合物III的相互作用机制，通过比较MET与strobilurin类杀菌剂PYR的结合模式，阐明了MET的反抗性机制。在此基础上，采用计算化学方法对MET进行结构优化，设计合成了活性和选择性均更高的新型抑制剂YF23694。该研究为反抗性新型复合物III杀菌剂的分子设计提供了借鉴。

MET和PYR均属于芳基吡唑类化合物，化学结构很相似。MET和PYR对真菌酵母复合物III均有较好的抑制活性。冷冻电镜结构显示MET（2.52 Å）和PYR（2.42 Å）均结合在Q_o位点。通过分子模拟对G143A突变后MET和PYR的结合模式进行研究，结果显示G143A突变后导致PYR的官能团翻转了180°，失去了部分重要的相互作用，结合能大大降低。而MET由于官能团位阻较小，突变前后结合模式几乎不变。这一结果为MET对G143A突变后的抗性菌株仍具有较好防效提供了合理的解释。

图1. MET与PYR在酵母复合物III中的结合模式及抗性机制研究

此外，该团队还进一步解析了MET与猪心复合物III的结构（2.53 Å），并与PYR（2.37 Å）进行了比对。意外发现MET在猪心复合物III中为双靶点抑制剂，能同时结合于Q_o和Q_i位点，但是在酵母中仅结合于Q_o位点。而PYR在猪心和酵母中都只结合在Q_o位点。这也导致了MET对猪心和酵母具有更好的种属选择性。最后，该团队在结构生物学研究的基础上，借助计算化学对MET进行结构拆分和碎片筛选，设计合成了一系列四唑啉酮衍生物。其中YF23694显示出优异的酶抑制活性和种属选择性，杀菌活性优异，在25 mg/L的剂量下，其对黄瓜白粉病的防治效果优于MET。这些研究结果为高活性和高选择性的复合物III杀菌剂的开发提供了新的思路。

图2. MET与PYR的结合模式比对及MET衍生物的设计

该研究成果近日在线发表于美国化学会旗舰期刊Journal of the American Chemical Society 上。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和国家博士后创新人才计划的支持。华中师范大学绿色农药国家重点实验室博士后望钰瑕、青年教师叶莺博士、博士研究生李志文和硕士研究生崔光睿为本文的共同第一作者，杨光富教授和朱晓磊教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Cryo-EM Structures Reveal the Unique Binding Modes of Metyltetraprole in Yeast and Porcine Cytochrome bc₁ Complex Enabling Rational Design of Inhibitors

Yu-Xia Wang, Ying Ye, Zhi-Wen Li, Guang-Rui Cui, Xing-Xing Shi, Ying Dong, Jia-Jia Jiang, Jia-Yue Sun, Ze-Wei Guan, Nan Zhang, Qiong-You Wu, Fan Wang, Xiao-Lei Zhu* and Guang-Fu Yang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c12595

导师介绍

杨光富

https://www.x-mol.com/university/faculty/10779 

研究团队介绍

http://chemyang.ccnu.edu.cn