仝建波， 李園園， 江國(guó)艷， 李康楠

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

近年研究顯示，蛋白酶體抑制劑可以通過(guò)調(diào)控細(xì)胞周期，抑制核轉(zhuǎn)錄活化因子，從而達(dá)到抗腫瘤的目的[1 - 2]。硼酸肽類(lèi)化合物是一種臨床上常用的蛋白酶體抑制劑，用于治療血液系統(tǒng)惡性腫瘤細(xì)胞。該類(lèi)抑制劑的主要代表為治療多發(fā)性骨髓瘤等多種腫瘤的藥物硼替佐米(Velcade)[3]。作為第二代共價(jià)類(lèi)蛋白酶體抑制劑的硼酸肽類(lèi)，其代謝穩(wěn)定，且具較高的抑制活性和選擇特異性，毒副作用相對(duì)較低[4]。

三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)是用統(tǒng)計(jì)分析工具和理論計(jì)算研究一系列分子三維結(jié)構(gòu)與其生物活性之間的關(guān)系，是藥物研究中的重要理論和常用手段[5]?？紤]到配體與受體作用時(shí)的空間取向，在不了解受體結(jié)構(gòu)的情況下，將分子周?chē)牧?chǎng)分布與活性定量地聯(lián)系起來(lái)，明確給出對(duì)現(xiàn)有分子進(jìn)行修飾的建議[6]。3D-QSAR中具代表性的方法比較分子場(chǎng)分析方法(CoMFA)[7]與比較分子相似性指數(shù)分析(CoMSIA)[8]已被人們用于硼酸肽類(lèi)的構(gòu)效關(guān)系研究[9]。本文采用Topomer CoMFA[10]對(duì)硼酸三肽蛋白酶體抑制劑進(jìn)行QSAR研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于R基團(tuán)的Topomer search[11]研究，這為硼酸肽蛋白酶體抑制劑分子的設(shè)計(jì)及新型抗腫瘤藥物的研發(fā)提供了參考。

1 原理與方法

1.1 數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備

本文所選的44個(gè)Tyropeptin硼酸三肽類(lèi)蛋白酶體抑制劑來(lái)自文獻(xiàn)[2]，分為訓(xùn)練集(25個(gè)化合物)和測(cè)試集(19個(gè)化合物，用*標(biāo)注)。活性標(biāo)度為pIc50，其分子結(jié)構(gòu)及活性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

1.2 Topomer CoMFA

表1 44個(gè)Tyropeptin硼酸三肽蛋白酶抑制劑分子骨架及活性Table 1 The struetures and biological activities data of 44 boronic acid derivatives of tyropetin inhibitors

*：test set.

采用SYBYL-X2.0軟件包構(gòu)建分子的三維結(jié)構(gòu)，加載Gasetiger-Hcukle電荷,采用Powell共軛梯度法和Tripos力場(chǎng)，優(yōu)化次數(shù)設(shè)定為1 000次，其余參數(shù)設(shè)置均由SYBYL-X2.0軟件包默認(rèn)。以23號(hào)分子為模板，將分子切成一個(gè)核心基團(tuán)和三個(gè)R基團(tuán)，分割后運(yùn)行Topomer CoMFA方法計(jì)算，切割方式如圖1所示。

1.3 Topomer Search

Topomer Search與Topomer CoMFA連用對(duì)化合物庫(kù)進(jìn)行篩選，可高效地用于完整分子的搜索以及先導(dǎo)化合物的優(yōu)化等。Topomer Search是采用構(gòu)象的獨(dú)立性及Topomer的相似性進(jìn)行完整分子、側(cè)鏈或骨架的篩選[19]。Topomer Search結(jié)果中主要包含兩項(xiàng)：Topomer距離和R基團(tuán)的活性貢獻(xiàn)值[20]，其可從數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選并測(cè)出相應(yīng)R基團(tuán)貢獻(xiàn)值。通常在分子相似程度允許范圍內(nèi)，貢獻(xiàn)值越大的基團(tuán)越有考慮價(jià)值。本文以建立的Topomer CoMFA模型進(jìn)行Topomer search研究，搜索ZINC(2012)[21]數(shù)據(jù)庫(kù)中的Fragment-like類(lèi)，包含34 292個(gè)分子。設(shè)置Topomer距離為185，其余參數(shù)均選取SYBYL默認(rèn)。用活性最高3c號(hào)樣本對(duì)選中分子進(jìn)行過(guò)濾，選取比模板分子R1、R2和R3貢獻(xiàn)值大的R片段。

2 結(jié)果與討論

2.1 Topomer CoMFA模型評(píng)估

圖2 Tyropeptin硼酸三肽蛋白酶抑制劑分子訓(xùn)練集和預(yù)測(cè)集樣本活性的線(xiàn)性回歸圖Fig 2 Linear regressions between observed and predicted pIc50 of boronic acid derivatives of tyropetin inhibitors

以34號(hào)分子為模板繪制各R基團(tuán)靜電場(chǎng)和立體場(chǎng)的Topomer CoMFA模型等勢(shì)圖如圖3所示。由圖3(a)可看出，在R1殘基周?chē)嬖诖罅烤G色色塊圖，表示在此區(qū)域宜引入大體積的基團(tuán)。化合物8(pIc50=7.229)，其R1基團(tuán)整體相對(duì)34(pIc50=6.824)號(hào)化合物較大，活性也比后者高。R1遠(yuǎn)端三氟甲基附近有黃色色塊圖，比較化合物34(pIc50=6.824)、31(pIc50=7.022)、26(pIc50=7.056)，將三氟甲基依次替換成溴和氯時(shí)，隨著取代基體積變小活性升高。由圖3(b)可以看出，三氟甲基鄰位附近有藍(lán)色體積圖，比較34(pIc50=6.824)和35(pIc50=6.959)，強(qiáng)負(fù)電性基團(tuán)氫原子用正電性基團(tuán)三氟甲基代替之后，化合物活性明顯提高。3(c)中，甲氧基周?chē)悬S色色塊，對(duì)比化合物5(pIc50=7.658)和3b(pIc50=8.357)，甲氧基被氫替換，體積變小，化合物活性提高了很多。由圖3(d)可以知，在切割點(diǎn)遠(yuǎn)端的甲氧基周?chē)霈F(xiàn)了紅色等勢(shì)圖，甲氧基附近有藍(lán)色色塊圖?；衔?(pIc50=7.721)和3b(pIc50=8.357)，苯基增加了甲氧基，負(fù)電性增加，活性升高。由圖3(f)可知靜電場(chǎng)對(duì)化合物的活性影響較小。觀察圖3(e)可知，取代基殘基周?chē)写笃S色區(qū)域，表明此處替換的取代基殘基體積變小，就有利于化合物活性升高。對(duì)比化合物15(pIc50=6.638)與53(pIc50=6.959)，其活性有明顯提高。但是此處的基團(tuán)體積也不是越小就越好，比較化合物52(pIc50=6.585)和化合物53(pIc50=6.959)，在其他基團(tuán)相同的情況下，取代基殘基體積減小，化合物活性反而出現(xiàn)了降低。

圖3 Topomer CoMFA模型Fig.3 Contour map of Topomer CoMFA model

2.2 基于Topomer Search的分子設(shè)計(jì)

通過(guò)Topomer search對(duì)ZINC數(shù)據(jù)庫(kù)中的分子式篩選，得到高貢獻(xiàn)值的R1、R2、R3基團(tuán)分別為1 544、813和417個(gè)。綜合Topomer距離和取代基貢獻(xiàn)值，以3c號(hào)分子為模板進(jìn)行過(guò)濾，分別選取較高貢獻(xiàn)值的R1和R3基團(tuán)7個(gè)和5個(gè)，由于未篩選到高于0.19的R2基團(tuán)，所以本文保持R2基團(tuán)不變。依次替換R1和R3，設(shè)計(jì)得到35個(gè)新分子，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方式同44個(gè)樣本分子。其Topomer距離、R1及R3貢獻(xiàn)值列于表2。其中，20個(gè)化合物的pIc50均大于模板分子3c(pIc50=8.59)。由表可以看出，隨著R1體積變大，活性也呈現(xiàn)出升高的規(guī)律。比較化合物22(pIc50=8.81)和23(pIc50=8.75)，隨著R3取代基體積增大化合物活性減小。但是觀察后5個(gè)化合物，其活性低于模板分子，可能是由于R1集團(tuán)的體積與模板分子體積相較小所致，但所設(shè)計(jì)的所有分子均與前面所分析的Topomer CoMFA等勢(shì)圖分析一致。

表2 新化合物的預(yù)測(cè)活性以及R基團(tuán)的Topomer距離及其貢獻(xiàn)值Table 2 Structures of new designed molecules，Topomer distances，contribution values of R-groups and predicted pIc50 by Topomer CoMFA

(續(xù)表2)

No.StructureTopomer distanceR1 controbution valueR3 controbution valueR1R3Topomer CoMFATopomer searchTopomer CoMFATopomer searchPredicted pIc50by Topomer CoMFA06146341.071.030-0.05-0.0408.68107146341.071.030-0.11-0.0408.625081461021.071.030-0.10-0.1008.622091461191.071.030-0.04-0.1108.696101461511.071.030-0.04-0.0508.69011143340.351.020-0.04-0.0407.98112143340.351.020-0.04-0.0407.986131431020.351.020-0.10-0.1007.912141431190.351.020-0.11-0.107.918151431510.351.020-0.05-0.0507.972161691511.241.180-0.05-0.0508.855

(續(xù)表2)

No.StructureTopomer distanceR1 controbution valueR3 controbution valueR1R3Topomer CoMFATopomer searchTopomer CoMFATopomer searchPredicted pIc50by Topomer CoMFA171691191.241.180-0.110.1108.798181691021.241.180-0.100.1008.80419169341.241.180-0.04-0.0408.86020169341.241.180-0.04-0.0408.86521166341.191.140-0.04-0.0408.81722166341.191.140-0.04-0.0408.814231661021.191.140-0.10-0.1008.759241661191.191.140-0.11-0.1108.741251661511.191.140-0.05-0.0508.810261781510.0531.13-0.05-0.0508.158271781190.0531.13-0.11-0.1108.093

(續(xù)表2)

No.StructureTopomer distanceR1 controbution valueR3 controbution valueR1R3Topomer CoMFATopomer searchTopomer CoMFATopomer searchPredicted pIc50by Topomer CoMFA281781020.0531.13-0.10-0.1008.09429178340.0531.13-0.04-0.0408.16430178340.0531.13-0.04-0.0408.16631179340.691.12-0.04-0.0408.31332179340.691.12-0.04-0.0408.317331791020.691.12-0.10-0.1008.254341791190.691.12-0.11-0.1108.243351791510.691.12-0.05-0.0508.316

3 結(jié)論

本文采用Topomer CoMFA對(duì)44個(gè)Tyropeptin硼酸三肽類(lèi)蛋白酶體抑制劑進(jìn)行了三維定量構(gòu)效關(guān)系分析，并利用所建模型對(duì)19個(gè)測(cè)試集抑制劑進(jìn)行了活性預(yù)測(cè)。采用Topomer Search技術(shù)在ZINC數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行R基團(tuán)的篩選，對(duì)分子中的兩個(gè)R基團(tuán)進(jìn)行替換，所設(shè)計(jì)出的20個(gè)分子理論抑制活性值比模板分子有較大提高，Topomer CoMFA等勢(shì)圖分析結(jié)果與模板分子一致，結(jié)果表明采用基于Topomer CoMFA模型的R基團(tuán)搜索技術(shù)進(jìn)行抑制劑的分子設(shè)計(jì)為抗腫瘤新藥設(shè)計(jì)提供新的候選物。