鄒慶 張?bào)K

【摘 要】運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬的方法，基于非鋅螯合的基質(zhì)金屬蛋白酶MMP-13活性分子，首先構(gòu)建多個(gè)藥效團(tuán)模型，再使用模型對(duì)天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫進(jìn)行虛擬篩選，然后利用分子對(duì)接的方法對(duì)目標(biāo)分子的抑制原理進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)靶標(biāo)MMP-13潛在的天然產(chǎn)物抑制劑。

【關(guān)鍵詞】基質(zhì)金屬蛋白酶;非鋅螯合;藥效團(tuán);虛擬篩選

【中圖分類號(hào)】R563.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】1002-8714（2020）03-00-02

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是一種退化性關(guān)節(jié)疾病，其特征是關(guān)節(jié)軟骨的損失不斷增加，導(dǎo)致慢性疼痛和活動(dòng)能力下降[1]。傳統(tǒng)的給藥途徑不能直接將藥物靶向關(guān)節(jié)軟骨。因此，有必要開發(fā)一種持續(xù)性的減少或逆轉(zhuǎn)軟骨破壞的藥物?；|(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）是鋅依賴性內(nèi)肽酶，具有20多種金屬蛋白酶成員，這些成員參與細(xì)胞遷移過程中細(xì)胞外基質(zhì)的降解，被認(rèn)為是有前景的OA治療靶標(biāo)[2]。然而廣譜MMPs抑制劑常受到肌肉骨骼綜合癥（MSS）的疼痛副作用的限制。MSS是由于非選擇性地抑制多種MMP造成的。NMR和X射線結(jié)構(gòu)表明，MMP在S1'口袋中有顯著差異，特別是MMP-13具有最大的S1'特異性口袋，因此利用此特性設(shè)計(jì)選擇性的MMP-13抑制劑非常有意義。本研究首先從文獻(xiàn)中搜集選擇性MMP-13抑制劑。隨后，我們構(gòu)建了多個(gè)藥效團(tuán)模型，并通過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證。接下來，進(jìn)行虛擬篩選，將藥效團(tuán)模型與分子對(duì)接相結(jié)合，從中篩選出選擇性的MMP-13抑制劑。

1.1藥效團(tuán)的構(gòu)建與驗(yàn)證

我們從不同的文獻(xiàn)中收集了20種結(jié)構(gòu)多樣化的MMP-13抑制劑[3-5]，其中9種被選作訓(xùn)練集以構(gòu)建藥效團(tuán)模型，11種活性化合物包括在測(cè)試集中。使用DS 3.0軟件的HipHop程序，只用少數(shù)選擇性MMP-13非鋅螯合抑制劑就可以獲得多種合理的藥效團(tuán)模型。訓(xùn)練集中的分子被單獨(dú)或者組合用來提取共同特征，HipHop程序根據(jù)各個(gè)模型的排名分?jǐn)?shù)和最佳擬合值選擇最佳模型。測(cè)試集可以評(píng)估藥效團(tuán)模型的質(zhì)量好壞。通過使用測(cè)試集分別計(jì)算每個(gè)模型的敏感性（sensitivity）和特異性（specificity），我們可以定量評(píng)估藥效團(tuán)模型的質(zhì)量。其中兩個(gè)指標(biāo)均大于0.5的藥效團(tuán)模型予以保留。

1.2虛擬篩選

AnalytiCon Discovery是全球領(lǐng)先的天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫使用DS 3.0的Ligand Profiler模塊對(duì)AnalytiCon Discovery數(shù)據(jù)庫進(jìn)行虛擬篩選。首先按照Lipinski成藥五規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行初篩，然后使用經(jīng)驗(yàn)證的藥效團(tuán)模型進(jìn)行并行篩選。最后，對(duì)這些具有成藥性的化合物進(jìn)行分子對(duì)接篩選。

2.1藥效團(tuán)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

利用9種活性MMP-13抑制劑進(jìn)行兩兩組合提取共同特征，產(chǎn)生多個(gè)藥效團(tuán)模型。將測(cè)試集分子用來評(píng)估以上藥效團(tuán)模型，最后一共有3個(gè)藥效團(tuán)模型能夠滿足特異性與敏感性均大于0.5。這3個(gè)藥效團(tuán)模型均能在識(shí)別出活性分子的同時(shí)又辨別出非活性分子。

2.2天然數(shù)據(jù)庫的篩選

分別使用3個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的藥效團(tuán)模型作為提問結(jié)構(gòu)來搜索AnalytiCon Discovery數(shù)據(jù)庫。首先，使用Lipinski五規(guī)則篩選數(shù)據(jù)庫中的5152種天然產(chǎn)物，總共獲得4473個(gè)分子。然后使用上一節(jié)的3個(gè)藥效團(tuán)模型搜索剛才得到的類藥性分子。3個(gè)模型分別篩選數(shù)據(jù)庫得到172，143和138個(gè)化合物。接下來，保留fitvalue大于 0.7的化合物， 368個(gè)天然產(chǎn)物將進(jìn)行最終的分子對(duì)接篩選。

2.3分子對(duì)接

將之前得到的368個(gè)化合物進(jìn)行分子對(duì)接篩選，以進(jìn)一步排除假陽性化合物。對(duì)接完成后，要求構(gòu)象穩(wěn)定外，以及化合物與MMP-13蛋白間結(jié)合充分。按以上條件，我們最終篩選出了4個(gè)有潛在活性的MMP-13非鋅螯合的天然產(chǎn)物抑制劑。

在理論上對(duì)這4個(gè)天然產(chǎn)物進(jìn)行相互作用機(jī)理的研究。四種天然產(chǎn)物在進(jìn)入MMP-13的S1'口袋的同時(shí)，又沒有與催化鋅離子螯合，而且都與殘基形成了兩到三個(gè)氫鍵和π-π作用。因此，它們能特異性地抑制MMP-13，可以作為MMP-13非鋅螯合抑制劑進(jìn)行下一步的優(yōu)化與改造。

結(jié)論：本文首先基于配體構(gòu)建并驗(yàn)證得到了3個(gè)藥效團(tuán)模型，經(jīng)過藥效團(tuán)與類藥性篩選，從天然數(shù)據(jù)庫得到368個(gè)分子進(jìn)行分子對(duì)接研究。最終得到4個(gè)骨架全新的MMP-13非鋅螯合抑制劑分子，將來用于進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)修飾與研究。

參考文獻(xiàn)

[1] Buckwalter JA， Martin JA， Osteoarthritis， Advanced Drug Delivery Reviews 58： 150-167， 2006.

[2] Neuhold LA， Killar L， Zhao W， Postnatal expression in hyaline cartilage of constitutively active human collagenase-3 （MMP-13） induces osteoarthritis in mice， J Clin Invest 107： 35-44， 2001.

[3] Yang S-Y， Pharmacophore modeling and applications in drug discovery： challenges and recent advances， Drug Discovery Today 15： 444-450， 2010.

[4] Yessica KG， Sean M， Flexible CDOCKER： Development and application of a pseudo-explicit structure-based docking method within CHARMM， J Computational Chemistry 37： 753-762， 2016.

[5] Engel CK， Pirard B， Structural basis for the highly selective inhibition of MMP-13， Chemistry & Biology 12： 181-189， 2014.