仝建波, 曹 旭

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 西安 710021)

1 引 言

獲得性免疫缺陷綜合癥(Acquired immune deficiency syndrome, AIDS), 即艾滋病病毒, 是造成人類免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus HIV)的一種致命疾病, HIV(分為HIV-1和HIV-2型)屬逆轉(zhuǎn)錄病毒的一種通過破壞人體的T淋巴細(xì)胞(CD4)、感染單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞, 然后經(jīng)過吸附、融合過程進(jìn)人宿主細(xì)胞, 進(jìn)而阻斷細(xì)胞免疫和體液免疫過程, 可導(dǎo)致機(jī)體免疫功能部分或全部喪失, 繼而發(fā)生機(jī)會性感染腫瘤等[1]. HIV病毒密碼是由逆轉(zhuǎn)錄酶、蛋白酶和整合酶3種關(guān)鍵酶來表達(dá)[2], 近幾年來抗HIV/AIDS藥物的研制主要是針對抑制上述關(guān)鍵酶進(jìn)行的, 研制這些酶的抑制劑成為治療艾滋病的一種有效手段[3].

香豆素衍生物可以作為一種抗艾滋病藥物, 對于病毒逆轉(zhuǎn)錄酶表現(xiàn)出較高的抑制活性, 如果通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得活性提高, 則香豆素衍生物將會成為一種高效的抗艾滋病藥物(Qantitative structure activity relationship, QSAR[4])是基于配體的計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的

主要方法之一, 具有代表性的方法有CoMFA[5]與CoMSIA[6]. 本實驗采用第二代CoMFA方法—Topomer CoMFA對26種二芳基苯胺衍生物進(jìn)行了3D-QSAR的研究, 運用這些研究結(jié)果, 進(jìn)行分子對接, 在理論上驗證所構(gòu)建的模型具有較高的可信性, 為實驗工作者合成該系列新藥物提供理論參考.

2 實驗部分

2.1 易位體比較分子場

Topomer CoMFA是CoMFA與Topomer的聯(lián)合技術(shù), 能夠在短時間內(nèi)準(zhǔn)確、快速構(gòu)建3D-QSAR模型[7]. 采用Topomer技術(shù)將整個配體分子切割成兩個或兩個以上的小片段, 所切割形成的小片段會自動生成三維構(gòu)象的碎片, 碎片根據(jù)一定的經(jīng)驗規(guī)則進(jìn)行調(diào)整, 生成Topomer模型. 計算每個分子片段周圍的立體場和靜電場參數(shù), 作為自變量, 以IC的負(fù)對數(shù)(pIC50[8])為建模響應(yīng)值, 其中IC50值為HIV-1病毒感染細(xì)胞半數(shù)抑制濃度, 用偏最小二乘回歸析方法[9], 尋找這些三維結(jié)分構(gòu)的特征信息與化合物活性的聯(lián)系, 從而實現(xiàn)模型擬合.

2.2 數(shù)據(jù)來源與分子結(jié)構(gòu)構(gòu)建

從文獻(xiàn)[10]中搜集了具有確定活性的26個香豆素衍生物(見表1)作為研究對象, 其化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1, 活性標(biāo)度為pIC50(-logIC50). 從文獻(xiàn)中列舉的一系列化合物中隨機(jī)選擇20個化合物作為訓(xùn)練集(Training set)用于建立模型, 剩余6個分子作為測試集(Test set)用來驗證模型的外部預(yù)測能力. 利用SYBYL2.0-X軟件包中的Sketch Molecule模塊繪制出化合物的結(jié)構(gòu), 以分子動力學(xué)程序Minimize對所有化合物進(jìn)行能量優(yōu)化, 得到其最低能量構(gòu)象. 優(yōu)化過程中采用Tripos力場[11]、Powell能量梯度和加載Gasteiger-Huckel電荷[12], 迭代系數(shù)設(shè)置為1000次, 能量收斂限定設(shè)為0.005 kcal/mol, 其余參數(shù)采用SYBYL2.0-X的默認(rèn)值.

2.3 分子對接

采用SYBYL-X2.0中的Surflex-Dock[13]進(jìn)行分子對接, 對接所使用的蛋白酶晶體結(jié)構(gòu)來源于RSCB數(shù)據(jù)庫, 晶體結(jié)構(gòu)的PDBID為：3L68, 對接模式為Surflex-Dock, 在對接前需對蛋白進(jìn)行處理, 從復(fù)合物中提取配體, 刪除不需要的配體及所有水分子, 給蛋白加氫加電荷, 設(shè)定距離配體分子5 A范圍內(nèi)的所有氨基酸殘基為活性口袋進(jìn)行疊合, 然后將活性最高的19號化合物與蛋白晶體進(jìn)行對接. 通常用Total-Score、Crash和Polar打分來評價對接結(jié)果[14]. Total-Score為總的打分函數(shù), 表示受體與配體的親和能力, 打分越高越好. Crash絕對值越接近零, 表示配體與受體對接時的不適當(dāng)程度越小. Polar為極性函數(shù)得分, 當(dāng)結(jié)合位點位于分子表面時, 打分越高越好；當(dāng)結(jié)合位點位于分子內(nèi)部時, 打分越低越好[15].

圖1 化合物的基本骨架Fig. 1 Basic skeleton of the compound

No.RIC50PIC50PIC50pred143.44.36654.411121283.89274.130731773.75204.11914884.05504.30105504.30104.92086484.31874.309871004.00003.82978344.46853.95079294.53764.853810194.72125.045711144.85384.886續(xù)表112105.00005.1079135.55.25965.4317148.55.07054.8538158.05.09695.4317

3 結(jié)果與討論

3.1 Topomer CoMFA模型的統(tǒng)計結(jié)果及預(yù)測能力

通過Topomer CoMFA建立的3D-QSAR模型中, 模型的交叉驗證相關(guān)系數(shù)(q2)和非交叉驗證相關(guān)系數(shù)(r2)分別為0.666和0.973. 圖2為訓(xùn)練集和測試集化合物的實驗值和預(yù)測值的關(guān)系圖, 從圖中可以看出所有樣本均勻地分布在45°直線附近, 證明所建模型具有好的可靠性及預(yù)測能力.

圖2 香豆素衍生物活性實驗值與預(yù)測值的關(guān)系圖Fig. 2 Relationship between experimental values and predicted values of coumarin derivatives

3.2 3D-QSAR分析

圖3為以19號分子為模板的Topomer CoMFA模型立體場和靜電場的三維等勢圖, 其中圖3A和C分別為Ra, Rb的立體場三維等勢圖, 圖3B和D分別為Ra, Rb的靜電場三維等勢圖, 圖3A和C中綠色區(qū)域表示引入大體積的基團(tuán)有利于分子抑制活性, 而黃色區(qū)域代表引進(jìn)小體積的基團(tuán)有利于化合物抑制活性增加；圖3B和D中藍(lán)色區(qū)域表示引入帶正電荷的基團(tuán)有利于分子抑制活性, 而紅色區(qū)域代表引進(jìn)帶負(fù)電荷的基團(tuán)有利于化合物抑制活性增加. 由圖3A立體場等勢圖中可觀察到在R1集團(tuán)的切割點處有綠色區(qū)域, 圖3C立體場等勢圖中可觀察到在R2取代位點上也有綠色區(qū)域, 表明在這2個區(qū)域中, 將大分子基團(tuán)引于此可以增加分子的活性. 如將10, 11, 12號分子的R基團(tuán)分別以相應(yīng)的基團(tuán)取代了對應(yīng)分子R基團(tuán)上取代基, 其活性有明顯提高, 分別由10號分子的4.7212活性值到11號分子的活性值4.8538, 到12號分子的活性值5.0000. 17, 18, 19號分子的R基團(tuán)分別以相應(yīng)的基團(tuán)取代了對應(yīng)分子R基團(tuán)上取代基, 其活性有明顯提高, 活性值分別由4.3344提高到了4.7644, 6.4317. 又如將24, 25, 26號分子的R基團(tuán)分別以相應(yīng)的基團(tuán)取代了對應(yīng)分子R基團(tuán)上取代基, 其活性有明顯提高, 活性值也相應(yīng)的由3.9172提高到了4.4433,3.5228. 圖3D靜電場等勢圖可知, 在臨近切割處環(huán)繞著一塊藍(lán)色等勢域, 表明若此區(qū)域有正電性基團(tuán)作用, 可增加化合物活性. 如8號分子的R取代基取代了7號分子的R取代基, 生物活性由4.000提高至4.4685.

圖3 Topomer CoMFA立體靜電場三維等勢圖: (A)Ra立體等勢圖, (B)Ra靜電等勢圖, (C)Rb立體等勢圖, (D)Rb靜電等勢圖.Fig. 3 Contuor map of Topomer CoMFA steric and electrostatic fields: (A) steric contour map of Ra, (B) electrostatic contour map of Ra, (C) steric contour map of Rb, (D) electrostatic contour map of Rb.

3.3 分子對接

圖4為分子對接的結(jié)果, 棒狀表示配體, 線狀表示氨基酸殘基, 黃色虛線表示氫鍵給體[16]. 從圖4B可見, 19號分子配體與晶體結(jié)構(gòu)中的主要氨基酸殘基共形成了3個氫鍵, 與A/HSI178、A/HIS181和A/HIS182形成氫鍵相互作用, 總打分函數(shù)(Total-Score)、配體對接進(jìn)受體時的不適當(dāng)程度(Crash)和極性打分函數(shù)(Polar)分別為4.8731、-2.6273和4.4605. 從圖C可見, 13號分子配體與晶體結(jié)構(gòu)中的主要氨基酸殘基共形成了3個氫鍵, 與A/LYS106、A/SER25和A/ARG231形成氫鍵相互作用, 總打分函數(shù)(Total-Score)、配體對接進(jìn)受體時的不適當(dāng)程度(Crash)和極性打分函數(shù)(Polar)分別為13.3250、-1.6761和11.103. 從圖4D可見, 15號分子配體與晶體結(jié)構(gòu)中的主要氨基酸殘基共形成了2個氫鍵, 與A/ARG326、A/SEP25形成氫鍵相互作用, 總打分函數(shù)(Total-Score)、配體對接進(jìn)受體時的不適當(dāng)程度(Crash)和極性打分函數(shù)(Polar)分別為7.0543、-2.4593和0.7880. 其中13號分子與3L68蛋白對接結(jié)果較好, 從而驗證了所建模型具有較好的可行性.

圖4 化合物與3L68蛋白酶的對接作用模式: (A)19號分子對接作用模式圖, (B)19號分子對接圖, (C)13號分子對接圖, (D)15號分子對接圖.Fig. 4 Dock of compound and 3L68: (A) molecular 19 docking mode diagram,(B) molecular 19 docking map,(C) molecular 13 docking map,(D) molecular 13 docking map

4 結(jié) 論

本文利用分子對接和Topomer CoMFA方法對26個香豆素衍生物進(jìn)行了研究, 建立了3D-QSAR模型, 模型等勢面圖提供了立體場和靜電場的可視化圖像, 直觀地揭示了這一系列化合物中不同的取代基結(jié)構(gòu)對其生物活性的影響, 并理論上通過分子對接進(jìn)一步驗證了所構(gòu)建模型的可信性, 從而為實驗工作者合成新藥提供了理論參考.