贵州大学研发病毒病防控创新产品

植物病毒病严重危害农作物的整个生长发育周期，是农业生产中仅次于真菌的第二大类世界性植物病害。其中马铃薯Y病毒（potato virus Y，PVY）是十大植物病毒病害之一，其主要危害茄科、豆科和藜科等农作物，给农业生产带来了极为严重的损失。PVY在植物体内绝对寄生性，植物体对其又缺乏完整有效的免疫系统，使PVY在实际生产活动中的防治变得特别困难。

       目前，田间用于防治PVY的商品化药剂主要有氨基寡糖素、病毒唑和宁南霉素等，但是这些商品化的药剂仍不同程度地存在防治效果不够理想和防治成本高等问题。因此，创制高效、绿色友好和作用机制独特的抗PVY活性药物分子，仍然是现代农业生产中一个亟待解决的科学问题。

       植物病毒的功能性外壳蛋白（Coat protein，CP）对于病毒生命周期的多个阶段至关重要，参与病毒颗粒组装、病毒基因组保护、宿主细胞间运动和媒介传播等。因此，战略性地靶向PVY CP的抗病毒策略已经备受关注。然而，尽管许多抗病毒药物是基于PVY CP而设计或者是宣称其可能靶向CP，但这些药物具体是如何作用于CP来抑制病毒致病性的，在很大程度仍是未知的。

       2024年3月13日，贵州大学绿色农药全国重点实验室宋润江教授作为通讯作者、博士生韦春乐作为第一作者在Advanced Science（影响因子IF=15.1）发表了题为“Innovative Arylimidazole-Fused Phytovirucides via Carbene-Catalyzed [3+4] Cycloaddition: Locking Viral Cell-To-Cell Movement by Out-Competing Virus Capsid-Host Interactions”的文章，该研究通过氮杂环卡宾催化合成得到的手性苯并咪唑并二氮杂卓衍生物-3j (S)具有较好抗PVY活性，进一步机制研究揭示了小分子-3j (S)与PVY CP^R191形成的氢键影响了PVY CP与NtCPIP蛋白之间的互作，进而影响PVY在宿主细胞间的移动从而实现对病毒侵染的抑制。

研究结果

1  氮杂环卡宾催化高效合成手性的苯并咪唑并二氮杂卓衍生物

       作者以具有广泛生物活性的苯并咪唑类衍生物1a和α-溴代肉桂醛2a作为模型反应对反应条件进行筛选，通过N-杂环卡宾（NHC）一步合成苯并咪唑并二氮杂卓衍生物3a。最终以NHC A作催化剂、碳酸钾作碱和THF作溶剂，在室温下反应12 h，以优秀的收率和对映选择性得到目标化合物（图1）。在最优条件下对底物普适性进行研究，该反应在不同取代基的苯并咪唑类衍生物1a和不同取代基的α-溴代肉桂醛2a下反应都能以高收率和高对映选择性得到目标化合物（图2）。

图1  反应条件的优化

图2  底物的普适性研究

2  苯并咪唑并二氮杂卓衍生物的抗PVY活性测试

       通过半叶枯斑法测试了所有苯并咪唑并二氮杂卓衍生物的目标化合物的抗PVY活性。测试的结果表明，部分苯并咪唑并二氮杂卓衍生物对PVY表现出了较好的抑制活性。其中，化合物-3j (S)（239、198和98μg/mL）抗PVY的治疗、保护和钝化活性均优于对照药剂病毒唑（650、627和242μg/mL），表现出最佳的抗PVY活性。值得注意的是，化合物-3j表现出了与手性构型相关的活性差异。其中，-3j (S)的活性优于其对映异构体-3j (R)以及外消旋体-3j (rac)。这意味着-3j (S)可能作为一种潜在的手性药物。

表1  目标化合物抗PVY活性的EC₅₀值（μg/mL）

3  潜在靶标位点的筛选和功能验证

       PVY CP是一个多功能的关键靶标蛋白，与病毒的细胞间移动、长距离移动和蚜虫的传播等密切相关，常常被作为潜在的靶标蛋白进行研究。活性小分子-3j (S)与PVY CP进行的分子对接表明，PVY CP^R191和PVY CP^N151可能是小分子-3j (S)作用于PVY CP的潜在靶标位点。作者通过原核表达分别纯化了野生型和突变型的PVY CP，并通过微量热涌动法测试了突变前后与小分子-3j (S)结合力的差异，验证了潜在的靶标位点。通过定点突变策略构建了突变的PVY CP^R191A-GFP和PVY CP^N151A-GFP侵染性克隆，在活体上对潜在的靶标位点进行验证和功能分析。结果表明，PVY CP^N151位点对病毒的系统侵染几乎没有影响，而PVY CP^R191位点病毒的系统侵染至关重要。

图3  潜在靶标位点的筛选与验证

图4  潜在靶标位点的验证与功能分析

       为进一步解释PVY CP^R191和PVY CP^N151结合位点对PVY系统侵染的影响，作者通过激光共聚焦显微镜观察了不同处理组浸润烟草后的胞间移动现象。结果表明，突变型PVY CP^N151A-GFP的胞间移动效率与野生型PVY-GFP相当，而将PVY CP^R191突变后，能破坏病毒的胞间移动。进一步验证小分子-3j (S)对病毒侵染影响的实验表明，与DMSO处理组后相比，经小分子-3j (S)处理后，PVY-GFP在本氏烟中的胞间移动效率和系统侵染显著受到抑制。

图5  潜在靶标位点的验证与功能分析

4  寄主关键蛋白的筛选和功能验证

       植物寄主因子对植物病毒的有效侵染至关重要，参与马铃薯Y病毒属的胞间移动同时与CP相互作用的寄主因子也被逐渐揭示。其中来自烟草的DnaJ样蛋白NtCPIPs，主要参与病毒的细胞间运动，并在与CP相互作用后导致PVY在宿主植物中的有效扩散。作者通过共免疫沉淀实验验证了寄主因子NtCPIP与野生型GFP-PVY CP和突变型GFP-PVY CP^R191A蛋白的互作差异。同时，在烟草植株上过表达NtCPIP后，促进了PVY在烟草中的侵染。总的来说，实验的数据表明PVY^R191A-GFP的胞间移动受阻可能是由于PVY CP^R191A和NtCPIP之间的相互作用中断，并且NtCPIP能有效促进病毒的胞间移动和系统侵染。

图6  潜在靶标位点的验证与功能分析

总  结

       研究团队通过NHC催化[3+4]七元氮杂环化合物的不对称合成，实现了手性苯并咪唑并二氮杂卓类化合物的高效合成。以PVY为研究对象，通过半叶枯斑法从75个目标化合物中筛选出最佳抗PVY活性的苯并咪唑并二氮杂卓衍生物-3j (S)，化合物-3j (S)抗PVY的治疗、保护和钝化活性均优于市售的对照药剂病毒唑，表现出良好的应用前景。初步的作用机制研究揭示了手性的活性小分子-3j (S)与PVY CP^R191形成的氢键竞争性地阻碍了PVY CP与NtCPIP蛋白之间的正常互作，进而影响PVY病毒粒子在宿主植物细胞间的移动，导致植物中病毒的积累水平下降，从而实现对病毒侵染的抑制。总之，这项工作通过不对称催化与生物活性测试相结合发现了具有良好抗PVY活性的手性小分子，并利用分子生物学技术深入揭示其分子机制，为促进交叉学科发展提供了研究基础。此工作部分结果近期发表于Advanced Science。贵州大学绿色农药全国重点实验室博士生韦春乐为论文第一作者。

图7  活性分子抑制PVY侵染可能的作用机制模式图