王 志， 蔡明峰， 葉良春， 劉卓裕， 程利平

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418）

新型Atorvastatin類HMGR抑制劑的3D-QSAR和分子對接

王 志， 蔡明峰， 葉良春， 劉卓裕， 程利平

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418）

羥甲基戊二酰輔酶A還原酶（H MGR）是內(nèi)源性膽固醇合成的重要催化限速酶，通過抑制HMGR的活性可以降低內(nèi)源性膽固醇的合成.HMGR抑制劑（他汀類）是治療心血管疾病的最佳藥物之一.運用計算機輔助藥物設(shè)計（CADD）方法，綜合三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR）和分子對接分析研究已合成的H MGR抑制劑的結(jié)構(gòu)與抑制活性之間的關(guān)系.根據(jù)最優(yōu)3D-QSAR模型，再結(jié)合分子對接分析，設(shè)計出新型活性高的H MGR抑制劑分子.

他汀類藥物；三維定量構(gòu)效關(guān)系；分子對接；羥甲基戊二酰輔酶A還原酶

近年來，心血管疾病，如冠心病和動脈粥樣硬化等，嚴重威脅著人類健康［1-2］，人體內(nèi)膽固醇過量是心血管疾病產(chǎn)生的主要原因.人體內(nèi)2／3的膽固醇都是自身合成的，稱為內(nèi)源性膽固醇.羥甲基戊二酰輔酶A還原酶（H MGR）是內(nèi)源性膽固醇合成第一步的催化限速酶，抑制其催化活性就可以減少內(nèi)源性膽固醇的合成.HMGR抑制劑（即他汀類藥物）是治療心血管疾病的首選藥物之一，自20世紀80年代洛伐他?。↙ovastatin）成功上市，目前已有6種他汀類藥物造福心血管疾病患者，阿托伐他?。ˋtorvastatin，見圖1A）是最暢銷的他汀類藥物，22號化合物（見圖1B）是本文中所采用的Atorvastatin類似物中抑制活性最好的分子.雖然他汀類藥物的安全性很高，但是橫紋肌溶解的毒性卻是其不可避免的副作用，德國拜耳公司的西立伐他汀因橫紋肌溶解的副作用而黯然撤市［3］，故藥物安全性是藥物研發(fā)最重要的指標(biāo).從頭設(shè)計和傳統(tǒng)藥物的研發(fā)耗時耗材，而基于計算機技術(shù)的藥物設(shè)計對已上市的成熟藥物進行合理的結(jié)構(gòu)修飾，得到高活性、低毒的新的分子結(jié)構(gòu)越來越受到藥物研發(fā)者的歡迎.

圖1 阿托伐他汀和化合物22的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Atorvastatin and compound 22

圖2 45個分子的結(jié)構(gòu)式Fig.2 Structure of 45 compounds

三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR）和分子對接是藥物設(shè)計中常用的方法［4-5］，比較分子場分析（Co MFA）和比較分子相似性分析（Co MSIA）是3DQSAR中常用的工具.來源于同一實驗室的45個新型Atorvastatin類似物首次被用來建立3D-QSAR模型，抑制活性最好的分子與H MGR蛋白三維晶體進行分子對接研究.綜合最優(yōu)的3D-QSAR模型和分子對接結(jié)果，可以設(shè)計出抑制活性更高、毒副作用更小的新型他汀類分子.

1 實驗部分

1.1 數(shù)據(jù)集和生物活性

45個Atorvastatin類新分子結(jié)構(gòu)和抑制活性（IC50）由Pfefferkorn［6-8］等合成并發(fā)布在期刊上，化合物的IC50值需要轉(zhuǎn)換成p IC50（-log IC50）用作建立3D-QSAR的自變量.將45個分子（結(jié)構(gòu)式見圖2）分為2個集合：訓(xùn)練集（35個，77.8%，建立最優(yōu)模型和內(nèi)部驗證）和測試集（10個，22.2%，外部驗證），測試集中與訓(xùn)練集的活性分布相同（見表1）. 45個分子在SYBYL-X2.1軟件中構(gòu)建，在Tripos［9］力場，Gasteiger-Huckel［10］電荷和收斂值設(shè)為20.93 J／（mol·A），優(yōu)化次數(shù)設(shè)定為104，其余參數(shù)是在默認設(shè)置條件下將所有的分子結(jié)構(gòu)進行能量優(yōu)化至穩(wěn)定構(gòu)象.

1.2 分子建模

分子建模有2種類型：基于配體和基于受體，因基于受體所建立的模型結(jié)果較差，故本文只選用了基于配體方式進行分子建模.首先將準備好的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)庫在SYBYL軟件中打開，運用Align Database［11］模塊進行分子疊合工作，經(jīng)過不同公共骨架的選取，最終選用圖3中A部分的結(jié)構(gòu)作為疊合公共骨架建立了最優(yōu)的3D-QSAR模型.偏最小二乘法（PLS）被用于定量探討結(jié)構(gòu)參數(shù)（CoMFA／CoMSIA相互作用的力場）與生物活性之間的關(guān)系，Co MFA中有立體場和靜電場2個描述符，Co MSIA中除了有立體場和靜電場外，還有疏水場、氫鍵供體場和氫鍵受體場3個描述符.在用PLS進行回歸分析中，為了評估模型的可靠性，先用抽一法（LOO）中的交叉驗證分析生成最佳主成分值（ONC）和交叉驗證相關(guān)性系數(shù)（Q2），再根據(jù)最佳主成分值進行非交叉驗證得到非交叉驗證相關(guān)系數(shù)（R2）、F統(tǒng)計值和標(biāo)準估計誤差（SEE）來評價模型.當(dāng)Q2＞0.5時，模型是可靠的，通過測試集可以檢驗?zāi)Ｐ偷念A(yù)測能力.

圖3 公共骨架（A）和疊合模型圖（E）Fig.3 The common substructure（A）and alignment model（E）

1.3 分子對接

為了研究他汀類藥物分子與HMGR蛋白的相互結(jié)合模式，SYBYL-X2.1中的“surflex-docking”模塊被用于探索他汀類藥物分子對接進入H MGR結(jié)合位點的結(jié)合機制.首先，從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（ww w.rcsb.org／pdb／home／home.do，RCSB）中下載H MGR（PDB ID：2Q1L）［12］晶體結(jié)構(gòu)；然后在分子對接前，需對HMGR晶體的結(jié)合口袋進行必要的處理，刪除晶體中所有水分子和其他非配體的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)原有配體計算出一個protomol空腔，將結(jié)合口袋附近的氨基酸殘基去質(zhì)子化，使得氨基酸殘基側(cè)鏈與抑制劑分子形成更多的氫鍵和其他較強的相互作用.

2 結(jié)果與討論

2.1 3D-QSAR統(tǒng)計性結(jié)果

2.1.1 Co MFA／Co MSIA模型的分析

根據(jù)最優(yōu)模型得到的預(yù)測值與實際值見表1，通過計算得到最優(yōu)的3D-QSAR模型具有良好的統(tǒng)計關(guān)系（見表2）.預(yù)測值與實驗值的相關(guān)性分析如圖4所示，由圖可知，預(yù)測值與實際值相差不大，說明文中所建模型是可靠的.最優(yōu)Co MFA模型中，當(dāng)ONC=5時，Q2=0.546，R2=0.974，SEE=0.091，F(xiàn)統(tǒng)計值為221.039.立體場的貢獻值為47.8%，靜電場的貢獻值為52.2%.說明在CoMFA中，靜電場的影響比較大.最優(yōu)Co MSIA模型中，當(dāng)ONC= 5時，Q2=0.564，R2=0.965，SEE=0.106，F(xiàn)統(tǒng)計值為162.125.立體場、靜電場、疏水場、氫鍵供體場、氫鍵受體場的貢獻值分別為7.90%、33.3%、 15.5%、21.2%、22.1%.說明在Co MSIA中，氫鍵場和靜電場的貢獻較大.

圖4 實際和預(yù)測p IC50的相關(guān)性圖Fig.4 The correlation plots of the predicted and the actual p IC50

2.1.2 3D-QSAR等值線圖分析

根據(jù)最優(yōu)的3D-QSAR模型，生成了不同力場的等值圖，以22號分子作為模板分子（見圖1B部分）.Co MFA模型生成的等值圖如圖5所示，圖5（a）是靜電場的等值圖（紅色色塊表示增加帶負電基團會提高活性，藍色表示帶正電基團有利于活性）.由圖可知，2個中等大小的藍色色塊圖位于脂肪酸的末端，表示此處修飾為正電性的原子或基團可以提高活性；除此之外，2個大的藍色色塊分別位于A環(huán)的5位和B環(huán)的3位，說明正電性的原子或基團對活性有利.2個紅色色塊環(huán)繞著A環(huán)5位上的苯環(huán)，說明負電性的基團或原子有利于提高抑制劑的活性，如電負性最大的氟原子或含氟基團取代該位置上的原有基團，可以提高抑制劑的活性.圖5（b）是立體場的等值圖（黃色表示增大基團活性會減弱，綠色表示增大基團活性會提高），1個大的黃色色塊環(huán)繞著A環(huán)4，5位和B環(huán)，表示體積小的取代基有利于抑制活性，還有1個中型的黃色色塊位于C環(huán)的2，3位.1個綠色的小色塊位于A環(huán)5位上的芳香環(huán)的2位，表示此位置取代為體積大的基團可以提高活性.

圖6（a）、（b）是Co MSIA模型生成的靜電場和立體場的等值圖，其模型生成的色塊位置與圖5基本類似.Co MSIA模型生成的疏水場和氫鍵場的等值圖分別如圖6（c）、（d）所示.疏水場的等值圖中，白色表示增加親水性基團有利于活性，黃色表示增加疏水性基團可以提高活性.由圖可知，2個大的白色色塊分別位于脂肪鏈和A環(huán)5位上芳香環(huán)位置. 1個中型的黃色色塊位于A環(huán)5位上的酰胺基位置，表示這個位置有疏水性基團可以提高活性，因為A環(huán)5位連接的基團是疏水的，所以此位置的取代基都是疏水的.氫鍵場的等值圖中，紅色表示增加氫鍵供體不利于活性，紫紅色表示減少氫鍵供體有利于活性；藍綠色表示增加氫鍵供體有利于活性，紫色表示減少氫鍵受體有利于活性.1個小的紅色色塊和1個大的紅色色塊分別位于脂肪鏈的3位羥基和A環(huán)5位上酰胺基中的羰基位置，說明此位置的基團是氫鍵供體的取代基，是高抑制活性的抑制劑分子；1個大的紫紅色色塊位于A環(huán)5位的大的取代基位置，說明此處減少氫鍵供體有利于活性；2個小的藍綠色色塊分別位于脂肪鏈的羧酸位置和B環(huán)的2位，說明此處增加氫鍵供體有利于活性；還有A環(huán)5位的取代基附近有1個中等大小的藍綠色色塊，1個小的紫色色塊位于A環(huán)5位取代基上的苯環(huán)的2位，表示此位置減少氫鍵供體有利于活性.綜上所述，可以根據(jù)最優(yōu)3D-QSAR模型的等值圖設(shè)計高活性的化合物.

表1 抑制劑分子結(jié)構(gòu)和p IC50的實際值與預(yù)測值Tab.1 The structures of inhibitor molecules and the actual and predicted p IC50

表2 Co MFA和Co MSIA模型的統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistical results of Co MFA and Co MSIA models

圖5 Co MFA模型的等值圖Fig.5 The contour maps of CoMFA model

圖6 CoMSIA模型的等值圖Fig.6 The contour maps of Co MSIA model

2.2 分子對接

由SYBYL軟件中的柔性對接計算結(jié)果如圖7所示，抑制劑分子與HMGR蛋白的相互作用非常好，模板分子（22號分子）與HMGR蛋白中的7個氨基酸殘基形成了氫鍵作用.這7個氨基酸都位于結(jié)合口袋內(nèi)部，Lys735、Ser684和Arg590與脂肪鏈的羧酸基中羰基和羥基上的氧原子形成氫鍵，Lys691、Lys692、Asp690和Glu559分別與脂肪鏈上3，5位的羥基形成了氫鍵作用.抑制劑分子結(jié)構(gòu)中的A環(huán)5位上芳香環(huán)取代基，B、C環(huán)分別與HMGR蛋白中疏水性氨基酸殘基形成疏水共軛作用，使得抑制劑可以更好地結(jié)合HMGR，延長藥物作用時間.綜上可知，可以合理修飾抑制劑分子結(jié)構(gòu)，得到更高活性、低毒性的抑制劑分子.

圖7 分子對接Fig.7 Molecular docking

2.3 模型的驗證

提取分子對接后與對接前的構(gòu)象做一個疊合比對來探討模型的可靠性，本文中選取活性最好的分子22作為模板分子進行疊合比對，疊合圖如圖8所示，A是對接后的構(gòu)象，B是對接前的構(gòu)象.由圖可見，藥效團（phamacophore）部分疊合良好，而其他部分因位于結(jié)合口袋袋口，與受體相關(guān)蛋白形成重要的疏水作用，故這些部分的結(jié)構(gòu)相差較大，但是對活性不起主導(dǎo)作用.綜上所述，分子對接前后的構(gòu)象在藥效團部分構(gòu)象疊合較好，分子對接與3DQSAR相互支持，故分子對接前的構(gòu)象可以作為3D-QSAR模型建立的結(jié)構(gòu)，而所建的模型是可靠的，可以作為設(shè)計高活性HMGR抑制劑分子的有用模型.

圖8 對接前后的分子疊合圖Fig.8 The alignment figure of anteroposterior molecular dock

3 結(jié) 語

3D-QSAR模型和分子對接可從不同角度認識新型Atorvastatin類HMGR抑制劑，根據(jù)文獻可知，脂肪鏈是其藥效部位，脂肪鏈上的羧酸和羥基可以與相關(guān)氨基酸的側(cè)鏈殘基形成許多氫鍵.因氟原子是電負性最大的元素，且在體內(nèi)代謝緩慢，可延長藥物的半衰期，故若在脂肪鏈的合適位置引入氟原子或含氟基團，可相對地改善活性.對于35個抑制劑分子建立的最優(yōu)3D-QSAR模型，根據(jù)得到的不同力場等值圖，可以合理修飾原有的分子結(jié)構(gòu)，從不同位置修飾結(jié)構(gòu)，可提高活性、減少用藥量，相對地降低藥物毒性.

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（編輯 呂丹）

3D-QSAR and Molecular Docking of Novel Atorvastatin Derivatives as HMGR lnhibitors

WANG Zhi， CAI Mingfeng， YE Liangchun， LIU Zhuoyu， CHENG Liping
（School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Hydroxymethylglutaric acyl coenzyme A reductase（HMGR）is an important catalytic ratelimiting enzyme for the synthesis of endogenous cholesterol.The synthesis of endogenous cholesterol can be reduced by inhibiting the activity of H MGR.H MGR inhibitors（statins）are one of the best drugs available for treating the cardiovascular diseases（CVD）.Combining three-dimensional quantitative structure-activity relationship（3D-QSAR）and molecular docking analysis and with the application of the computer aided drug design（CADD），the relationship between the synthesized HMGR inhibitor structures and inhibitory activity was studied.On the basis of the optimal 3D-QSAR model and the integrated molecular docking，a new type of HMGR inhibitors molecule with higher activity was designed.

statin；three-dimensional quantitative structure-activity relationship（3D-QSAR）；molecular docking；hydroxymethylglutaric acyl coenzyme A reductase（HMGR）

R 914.5

A

1671-7333（2015）04-0327-06

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.003

2014-11-05

上海市自然科學(xué)基金資助項目（15ZR1440400）；上海市大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項目（PE2014044，PE2014069）；上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計重點資助項目（33110T145016）

王 志（1987-），男，碩士生，主要研究方向為制藥工程.E-mail：yzhiwang1987＠163.com

程利平（1974-）女，副教授，博士，主要研究方向為計算機輔助新藥設(shè)計及合成，藥物定量構(gòu)效關(guān)系.

E-mail：chengliping＠sit.edu.cn