仝建波，趙 翔，鐘 黎，常 佳，李夢龍

（1．陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，西安710021；2．教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點實驗室，西安710021；3．四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院，成都610064）

1 引 言

由人類免疫缺陷病毒（HIV）引起的艾滋?。传@得性免疫缺陷綜合癥，AIDS）自1981年被發(fā)現(xiàn)以來，在全球迅速蔓延，其中速度最快的地區(qū)是非洲和亞洲，中國也屬于艾滋病高發(fā)地區(qū)．艾滋病的迅速蔓延引起了各國政府和科研機(jī)構(gòu)的高度重視，紛紛投入大量的人力物力進(jìn)行艾滋病的預(yù)防和治療研究．自1987年第一個抗艾滋病藥物齊多夫定（AZT）問世以來，已經(jīng)有30余種不同類型的藥物問世．

非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑（NNRTIs）是一類與核苷結(jié)構(gòu)、作用機(jī)理迥異的特異性抑制HIV－1 RT的化合物，該類抑制劑具有結(jié)構(gòu)多樣、高效低毒以及可與其他藥物協(xié)同作用等特性，而且與核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶相比，還具有許多獨(dú)特的優(yōu)點，比如它們的活性形式不需要細(xì)胞內(nèi)的磷酸化，因而在靜止和活化的細(xì)胞或不同的細(xì)胞系中都具有廣泛的活性；它們亦可與細(xì)胞外的逆轉(zhuǎn)錄酶結(jié)合，減少游離病毒顆粒的逆轉(zhuǎn)錄，從而降低病毒的傳染性[1－2]．因而對NNRTIs的研究一直是發(fā)現(xiàn)新型抗艾滋病藥物的有效途徑和重要方向之一．

噻唑硫脲化合物N－（2－苯乙基）－N｀－（2－噻唑基）－硫脲（PETT）及其衍生物[2]作為一種典型的HIV NNRTIs，如果能通過進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高活性，有望成為一類新的高效抗艾滋病藥物．而定量結(jié)構(gòu)活性關(guān)系（QSAR）研究是藥物設(shè)計的一種重要方法，它對于設(shè)計和篩選生物活性顯著的藥物以及闡述藥物的作用機(jī)理等具有指導(dǎo)作用[3－5]．因而構(gòu)建這些化合物分子結(jié)構(gòu)與生物活性之間定量相關(guān)模型，對于研究、設(shè)計和開發(fā)出高效抗艾滋病藥物具有重要意義．

QSAR為藥物設(shè)計和篩選提供了相對簡便的途徑，并受到了廣泛的重視．其中分子結(jié)構(gòu)表征（MSC）是QSAR的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)前流行的MSC技術(shù)大致可以分為基于二維結(jié)構(gòu)的2D結(jié)構(gòu)描述子和基于三維空間構(gòu)型的3D結(jié)構(gòu)描述子兩大類．由于2D描述子很難再現(xiàn)配基與受體的空間契合方式，因此3D結(jié)構(gòu)描述子正成為QSAR研究的主流．采用本實驗室新提出的一種3D分子結(jié)構(gòu)描述方法—分子表面隨機(jī)采樣分析（RASMS），得到用于表征藥物分子結(jié)構(gòu)特征的三維矢量描述子，將其用于PETT類抗艾滋病藥物的QSAR研究，取得了較好的結(jié)果．

2 原理和方法

2．1 RASMS中的幾個概念

2．1．1 蛋白質(zhì)受體原子探針

由于大多數(shù)藥物直接作用靶標(biāo)是具有一定生物活性功能的肽和蛋白質(zhì)分子，因此RASMS法使用20種標(biāo)準(zhǔn)天然氨基酸中的各類原子作為探針．考慮到具有不同雜化狀態(tài)的原子往往因所處基團(tuán)和區(qū)域不同而使其對活性貢獻(xiàn)表現(xiàn)出一定的差異，進(jìn)而以此得到8個探針原子．為了反映這些探針的性質(zhì)，本文分別給其賦予了平均電荷指數(shù)、范德瓦耳斯指數(shù)和平均疏水指數(shù)的概念．

平均電荷指數(shù)（Mean charge index，MCI）：探針原子電性特征取其出現(xiàn)于氨基酸中的平均電荷數(shù)．具體計算如下：首先使用Chemoffice 8．0自帶數(shù)據(jù)庫生成20個天然氨基酸的初始分子立體結(jié)構(gòu)；并利用分子模擬軟件HyperChem 7．5進(jìn)行分子力學(xué)構(gòu)象優(yōu)化；其結(jié)果進(jìn)一步應(yīng)用Gaussian 98W量子化學(xué)計算軟件在密度泛函水平基于廣義梯度近似法最終優(yōu)化得到分子三維結(jié)構(gòu)，并采用Mulliken布居分析法以單點形式計算出原子的凈電荷數(shù)量[6－8]；自編程序計算每種探針原子在氨基酸中出現(xiàn)的平均電荷數(shù)作為其MCI值．

范德瓦耳斯指數(shù)（Van der Waals index，VWI）：通常文獻(xiàn)給出的是孤立原子Van der Waals半徑，但實際原子由于其所處分子的化學(xué)微環(huán)境和自身雜化狀態(tài)不同該半徑有所變化，因此本文對其進(jìn)行了調(diào)整，即使用經(jīng)校正后的原子Van der Waals半徑作為探針原子的范德瓦耳斯指數(shù)[9－10]，VWI＝Ch×RVDW＊．

平均疏水指數(shù)（Mean hydrophobic index，MHI）：類似于MCI，MHI取每類探針的疏水性在天然氨基酸中出現(xiàn)的平均值．這里以文獻(xiàn)[11]所定義的原子溶解參數(shù)（atomic solvation parameter，ASP）作為疏水性量度．

2．1．2 虛擬受體可及表面

本文提出了虛擬受體可及表面（pseudo－receptor accessible surface，PRAS）的概念．當(dāng)作為藥物作用靶點的生物分子（蛋白質(zhì)、核酸、糖類等）中所包含的原子可以抵達(dá)的該藥物分子表面稱為分子虛擬受體可及表面（pseudo－receptor accessible surface of molecule，PRASM），如果以上述劃分蛋白質(zhì)8類探針原子中的氫作為受體探針，其定義如下：利用單個氫原子球體在藥物分子Van der Waals表面滾動其球心所經(jīng)歷的曲面則稱為虛擬受體氫原子可及表面（H－PRASM）．同理可以計算其余7種虛擬受體探針原子可及表面（圖1）．依照上述PRASM的計算方法可以定義孤立原子的原子虛擬受體可及表面（pseudo－receptor accessible surface of atom，PRASA），顯然該表面是一個球面（圖2），其半徑為該原子與探針半徑之和．可以看到藥物分子中每個原子的PRASA可能有一部分參與形成該分子的PRASM．

表1 8個探針原子在20種天然氨基酸中出現(xiàn)的頻數(shù)及其MCI，VWI和MHI取值Table 1 The appearing frequencies of eight types of atomic probes in twenty types of natural amino acids as well as the values of its MCI，VWI and MHI

圖1 分子虛擬受體可及表面Fig．1 Pseudo-receptor accessible surface of molecule

圖2 原子虛擬受體可及表面Fig．2 Pseudo-receptor accessible surface of atom

2．2 藥物分子中常見原子分類

有機(jī)化合物中常見的原子包括氫、碳、氮、磷、氧、硫、氟、氯、溴、碘，它們分別屬于元素周期表的IA、IVA、VA、VIA、VIIA共計5個主族．基于“具有相同化學(xué)性質(zhì)的原子應(yīng)屬于同一類”的觀點，本文很自然的按照這些原子所處元素周期表的族將其劃分為5大類．為了更好的表現(xiàn)分子細(xì)微結(jié)構(gòu)特征，并考慮到同一族原子處于不同雜化狀態(tài)時化學(xué)性質(zhì)也有較大差異，繼而在上述分類的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步把不同族中的原子按其雜化狀態(tài)細(xì)分為10類（表2）．

表2 RASMS中按周期表的族和原子雜化類型劃分的10類原子Table 1 Ten types of atoms according to element periodic tables

2．3 探針原子與藥物配體的作用模式

經(jīng)典藥學(xué)理論認(rèn)為藥物在抵達(dá)受體并與之發(fā)生作用絕大多數(shù)都是暫時的、可逆的非鍵效應(yīng)，其表現(xiàn)為靜電、立體、疏水、氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移等多種因素．本文考慮到靜電、立體、疏水效果幾乎包含了大部分這類信息，故在RASMS中主要計算這3種作用類型．對于氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移等可以看成是靜電和立體效應(yīng)的特殊表現(xiàn)形式．

靜電作用（electrostatic interaction）是一類重要的非鍵效應(yīng)，經(jīng)典的點電荷作用方式服從Coulomb定理（式1）．其中rij是探針到配體原子間的Euclid距離；e為單位電荷電量1．6021892×10－19C；ε0為真空中的介電常數(shù)8．85418782×10－12C2／J·m；Z為配體原子凈電荷數(shù)；p和l分別為探針和配體原子所屬類型．

立體作用（steric interaction）是空間原子間存在的非偶極－偶極或偶極誘導(dǎo)作用，這里采用Lennard－Jones方程來描述這種作用方式（式2）．該式中εij＝（εii·εjj）1／2為探針－受體原子勢能阱深，取文獻(xiàn)值[12]；D為經(jīng)驗推導(dǎo)的原子間作用能修正常數(shù)，取0．01；Rij＊＝（VWIi＋Ch·Rj＊）／2，為經(jīng)過校正后的探針－受體原子間van der Waals碰撞半徑，其校正因子Ch，當(dāng)sp3雜化時取1．00，sp2雜化取0．95，sp雜化取0．90[13]．

疏水作用（hydrophobic interaction）是影響藥物分子與生物體結(jié)合的重要因素，由于其往往表現(xiàn)于體系熵的改變，因此很難用一個統(tǒng)一的公式來描述．對于有關(guān)疏水作用的研究已有眾多文獻(xiàn)報道，考慮到RASMS要求深入到配基分子內(nèi)部原子與其表面受體探針相互作用，我們使用Kellogg等人提出的 HINT方法[14－18]來表達(dá)該類勢能形式．在HINT中定義了一個簡單的計算兩個原子之間的疏水相互作用表達(dá)式（式3），該式中S為原子溶劑可及面積（solvent accessible surface area of atom，SASA），是水分子在原子表面滾動其球心形成的表面面積[19]；a為原子疏水性常數(shù)，這里同樣使用上文所提到的ASP作為其表達(dá)值；T是作用形式的二值判別函數(shù)，以表明不同類型原子疏水作用的熵效應(yīng)變化方向．

2．4 RASMS實現(xiàn)過程

使用Chemoffice 8．0分子圖形構(gòu)建軟件包自動生成初始藥物分子立體結(jié)構(gòu)；同時應(yīng)用MOPAC 6．0[20－21]半經(jīng)驗量子化學(xué)計算軟件在 AM1（Austin model 1）[22]水平上采用共扼梯度法完成幾何優(yōu)化，并在最終分子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行單點計算以求得每個原子所帶電荷的Mulliken布居數(shù)；繼而利用自編程序Sampling－tool進(jìn)行RASMS分析：當(dāng)以氫原子為探針時，首先在藥物分子虛擬受體氫原子可及表面（H－PRASM）上進(jìn)行隨機(jī)取點作為該探針的探點，每一次采樣都計算該點探針與藥物分子中10類原子的相互作用情況，而每種作用又分為靜電、立體和疏水3種效應(yīng)，這樣可以得到30個作用項，它包含了分子表面該點的勢場分布狀況．可以看到，經(jīng)過大規(guī)模重復(fù)上述隨機(jī)采樣，探點將幾乎完全均勻的覆蓋分子周圍，從而得到整個表面的場能分布信息．完成所有采樣之后將多次探測得到的30項作用每項對應(yīng)加和，并取其平均值作為該分子表面勢場分布密度．其中第一項表示HPRASM上藥物分子中第1類原子（氫原子）與探針平均作用情況，第二項表示第2類原子（sp3雜化的碳原子）與探針平均作用情況，以此類推．這樣通過使用8個探針對一個藥物分子表面進(jìn)行采樣計算將得到8×30＝240個作用分量，即為RASMS法對該分子的最終分析結(jié)果（圖3）．

圖3 RASMS法對于每一個藥物分子得到的240個作用分量示意圖Fig．3 240types of interaction with RASMS method of every drug molecule

3 結(jié)果與討論

3．1 數(shù)據(jù)集的選取

61個PETT類衍生物的結(jié)構(gòu)及活性數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[23]（表3）．活性標(biāo)度為化合物對HIV－1感染細(xì)胞的半數(shù)有效抑制濃度IC50的負(fù)對數(shù)pIC50：

3．2 模型驗證

為了深入研究RASMS方法與此類抗艾滋病藥物活性的內(nèi)在聯(lián)系，采用多元線性回歸（MLR）這種典型的線性方法進(jìn)行建模．另外對所建模型的外部預(yù)測能力和真實有效性進(jìn)行驗證是定量構(gòu)效關(guān)系中非常重要的一個部分，用來表征模型穩(wěn)定性與預(yù)測能力的參數(shù)有rm、r0和k[24－27]等，檢測方法在文獻(xiàn)[24]中提到．為此，本文將數(shù)據(jù)集分成了51個內(nèi)部樣本和10個外部樣本，10個外部樣本將用于模型檢驗．

3．3 結(jié)構(gòu)表征

使用Chemoffice 8．0自動搭建61個PETT類抗艾滋病藥物分子的立體結(jié)構(gòu)，用Chem3D自帶的MOPAC半經(jīng)驗量子化學(xué)軟件在AM1水平上最終優(yōu)化得到分子結(jié)構(gòu)（截斷值0．0001kJ／mol），并采用Mulliken布居分析法以單點形式計算出原子的凈電荷數(shù)量，將分子中每個原子的空間位置及電荷分別以笛卡爾坐標(biāo)和凈電子數(shù)目的形式輸入實驗室自編的應(yīng)用程序Sampling－tool加以處理，得到分子的RASMS描述子．

表3 苯乙基噻唑硫脲衍生物母體結(jié)構(gòu)及其pIC50Table 3 Structure and pIC50activity of phenylethylthiazolylthiourea derivatives

（continued）

3．4 多元線性回歸建模

RASMS含有240個描述子，所研究51個PETT內(nèi)部樣本通過計算最終得到192個非零矢量，使用SPSS 18．0對這192個非零矢量進(jìn)行逐步線性回歸（stepwise multiple regression，SMR），并采取有進(jìn)有出的原則，SMR按Fisher顯著性檢驗依次引入變量，選出15個顯著性矢量；同時將SMR每一步得到的原始變量多元線性回歸（Multiple Linear Regression，MLR）建模，并使用留一法交互校驗法計算模型的QCV大小，以其達(dá)到最大值時變量數(shù)目來確定最終模型．表征模型穩(wěn)定性與預(yù)測能力的參數(shù)有rm、r0和k，定義如下：

結(jié)合交互校驗的復(fù)相關(guān)系數(shù)（QCV）變化情況，最終確定選用11變量回歸模型，按照文獻(xiàn)[22]的方法分別輸入內(nèi)部樣本和外部樣本前11個描述子和實驗值即可得到：Rcum、QCV、r0（test）、rm（test）、rm（all）和k分別為0．919、0．856、0．936、0．848、0．837和0．967（0．85＜k＜1．15），模型的標(biāo)準(zhǔn)化形式如下：

其中，E表示靜電作用，S表示立體作用，H表示疏水作用，如，E1－3表示第1類探針與第3類原子之間的靜電作用項，S1－10表示第1類探針與第10類原子之間的立體作用項，H8－9表示第8類探針與第9類原子之間的疏水作用項，以此類推．樣本活性實驗觀測值與模型計算相關(guān)情況如圖4，幾乎所有樣本都均勻分布于過原點45°直線周圍，無明顯異常點，結(jié)果表明RASMS能夠較好地表征香豆素類化合物的活性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系．

圖4 苯乙基噻唑硫脲衍生物活性實驗值與計算值關(guān)系圖Fig．4 Plot of calculated versus observed pIC50for PETT derivatives with MLR

4 結(jié) 論

本文所建模型包含了靜電、立體、疏水3種經(jīng)典作用項，說明RASMS能夠較好地表征有機(jī)化合物活性與環(huán)境間復(fù)雜相互作用，所建模型以化合物本身的立體參數(shù)與電性參數(shù)為基礎(chǔ)．與當(dāng)今大多3D藥物設(shè)計技術(shù)相比，RASMS在應(yīng)用過程中所建的模型物化意義明確，可解釋性強(qiáng)，參數(shù)簡單易得．本文使用RASMS對61個PETT類化合物進(jìn)行了建模和定量構(gòu)效關(guān)系研究，結(jié)果表明RASMS描述子與分子生物活性呈線性相關(guān)，具有一定的指導(dǎo)意義，可應(yīng)用于潛在和新型抗艾滋病藥物的設(shè)計和開發(fā)，值得進(jìn)一步深入研究．

[1]Zhan P．Design，synthesis and anti－HIV evaluation of novel arylazolyl（azinyl）thioacetanilides as potent NNRTIs[D]．China Shandong University，2010（in Chinese）[展鵬．新型芳唑（嗪）巰乙酰胺類HIV－1 NNRTI的設(shè)計、合成與活性研究 [D]．中國：山東大學(xué)，2010]

[2]Tong J B，Wang P，Che T，etal．Studies of the quantitative structure activity relationship for phenylethylthiazolythiourea of anti-HIV drug using new three-dimensional structure descriptors[J]．J．At．Mol．Phys．，2012，29（6）：960（in Chinese）[仝建波，王平，車挺，等．苯乙基噻唑硫脲衍生物抗艾滋病藥物3D－QSAR研究[J]．原子與分子物理學(xué)報，2012，29（6）：960]

[3]Zhang X，Yang L Y，Zheng Y T．Advances of screening methods in vitro for HIV－1intergrase in-hibitors[J]．Chin．Pharmacol．Bull．，2013，29（1）：14（in Chinese）[張璇，楊柳萌，鄭永唐．HIV－1整合酶抑制劑體外篩選方法研究進(jìn)展[J]．中國藥理學(xué)通報，2013，29（1）：14]

[4]Xu Y S，Zhong R G，Zeng C C，etal．The Research progress of diketo Acid HIV Integrase Inhibitors[J]．J．BeijingUniv．Technol．，2005，31（6）：635（in Chinese）[徐義生，鐘儒剛，曾程初，等．二酮酸類HIV整合酶抑制劑研究進(jìn)展[J]．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，31（6）：635]

[5]Zhang N，Zhang H B，Huang S．The research progress of anti-HIV integrase inhibitors[J]．Pharm．Biotechnol．，2009，16（3）：269（in Chinese）[張楠，張惠斌，黃山．抗HIV整合酶抑制劑研究進(jìn)展[J]．藥物生物技術(shù)，2009，16（3）：269]

[6]Hohenberg P，Kohn W．Inhomogeneous electron gas[J]．Phys．Rev．，1964，136：864．

[7]Kohn W，Sham L J．Self-consistent equations including exchange and correlation effects [J]．Phys．Rev．，1965，140：1133．

[8]Mulliken R S．Electronic population analysis on LCAO-MO molecular wave functions．I [J]．J．Chem．Phys．，1955，23：1833．

[9]Hahn M．Receptor surface models．1．definition and construction [J]．J．Med．Chem．，1995，38：2080．

[10]Bondi A．Van der Waals volumes and radii[J]．J．Chem．Phys．，1964，68：441．

[11]Pei J，Wang Q，Zhou J，etal．Estimating proteinligand binding free energy：Atomic solvation parameters for partition coefficient and solvation free energy calculation[J]．Proteins：Structure，F(xiàn)unctionand Genetics，2004，57：651．

[12]Hasel W，Hendrikson T F，Still W C．A rapid approximation to the solvent accessible surface areas of atoms[J]．TetrahedronComp．Method，1988，1：103．

[13]Zhou P，Tong J B，Tian F F，etal．A novel comparative molecule／pseudo receptor interaction analysis[J]．Chin．Sci．Bull．，2006，51（15）：1824．

[14]Kellogg G E，Semus S F，Abraham D J．HINT-a new method of empirical hydrophobic field calculation for CoMFA [J]．J．Comput．AidedMol．Des．，1991，5：545．

[15]Wireko F C，Kellogg G E，Abraham D J．Allosteric modifiers of hemoglobin．2．crystallographically determined binding sites and hydrophobic binding／interaction analysis of novel hemoglobin oxygen effectors[J]．J．Med．Chem．，1991，34：758．

[16]Kellogg G E，Joshi G S，Abraham D J．New tools for modeling and understanding hydrophobicity and hydrophobic interactions[J]．Med．Chem．Res．，1992，1：444．

[17]Kellogg G E，Abraham D J．KEY，LOCK，and LOCKSMITH．Complementary hydrophobicity map predictions of drug structure from a known receptor／receptor structure from known drugs[J]．J．Mol．Graphics，1992，10：212．

[18]Nayak V R，Kellogg G E．Cyclodextrin-barbiturate inclusion complexes：a CoMFA／HINT 3－D QSAR study[J]．Med．Chem．Res．，1994，3：491．

[19]Hasel W，Hendrikson T F，Still W C．A rapid approximation to the solvent accessible surface areas of atoms[J]．TetrahedronComp．Method，1988，1：103．

[20]Stewart J J P．MOPAC：A semiempirical molecular orbital program [J]．J．Comput．AidedMol．Des．，1990，4（1）：1．

[21]Tong J B，Wang P，Che T，etal．Quantitative structure activity relationship studies of benzoxazinone of anti－HIV drug using new three－dimensional structure descriptors．[J]．J．At．Mol．Phys．，2012，29（5）：777（in Chinese）[仝建波，王平，車挺，等．苯并噁嗪酮衍生物類抗艾滋病藥物3D－QSAR研究[J]．原子與分子物理學(xué)報，2012，29（5）：777]

[22]Dewar M J S，Zoebisch E G，Healy E F，etal．AM1：A new general purpose quantum mechanical molecular model[J]．J．Am．Chem．Soc．，1985，107：3902．

[23]Razieh S，Afshin F，Behzad M．QSAR study of PETT derivatives as potent HIV－1reverse transcriptase inhibitors[J]．J．Mol．GraphicsModell．，2009，28：146．

[24]Roy K，Chakraborty P，Mitra I，etal．Some case studies on application of“r2m♂”metrics for quality of quantitative structure-activity relationship predictions：emphasis on scaling of response data[J]．J．Comput．Chem．，2013，34：1071．

[25]Mitra I，Saha A，Roy K．Exploring quantitative structure-activity relationship studies of antioxidant phenolic compounds obtained from traditional Chinese medicinal plants[J]．Mol．Simul．，2010，13：1067．

[26]Roy K，Mitra I，Kar S，etal．Comparative studies on some metrics for external validation of QSPR models[J]．J．Chem．Inf．Model．，2012，52：396．

[27]Roy K，Mitra I．On various metrics used for validation of predictive QSAR models with applications in virtual screening and focused library design [J]．Comb．Chem．HighThroughputScreening，2011，14：450．