mTOR 抑制劑的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究

毛黎靜，文曉榮，舒　茂

(1.江蘇九旭藥業(yè)有限公司，江蘇 徐州　221200;

2.重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶　400054)

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mTOR 抑制劑的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究

毛黎靜1，文曉榮2，舒茂2

(1.江蘇九旭藥業(yè)有限公司，江蘇 徐州221200;

2.重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶400054)

摘要：針對(duì)29個(gè)苯并氮氧雜環(huán)類(lèi)mTOR抑制劑，運(yùn)用比較分子力場(chǎng)分析(CoMFA)和比較分子相似性指數(shù)分析 (CoMSIA)這兩種經(jīng)典的3D- QSAR方法，分別建立相應(yīng)的模型，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和活性關(guān)系的分析。結(jié)果顯示：CoMFA模型和CoMSIA模型的交叉驗(yàn)證系數(shù)q2分別為0.674和0.782，相關(guān)系數(shù)r2分別為0.995和0.932。這兩種模型都顯示出了較好的預(yù)測(cè)性和穩(wěn)定性，其三維等勢(shì)圖也證實(shí)了mTOR抑制劑結(jié)構(gòu)和活性關(guān)系，可為設(shè)計(jì)研究更加有效的mTOR抑制劑提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：mTOR抑制劑; mTOR蛋白; 三維定量構(gòu)效關(guān)系

據(jù)WHO報(bào)道，預(yù)計(jì)到2020年全球癌癥病例將會(huì)從2012年的1 200萬(wàn)上升到2 200萬(wàn)，成為導(dǎo)致人類(lèi)死亡的重要原因之一。目前，對(duì)于惡性腫瘤治療的方法主要有手術(shù)治療、放射治療、抗癌藥物治療、免疫治療以及中醫(yī)治療等，但效果均不理想。主要原因之一是因?yàn)橐种苿┰谥委熯^(guò)程中仍存在一些弊端。因此，本文在計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)(CADD)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)和活性之間的關(guān)系分析，期望為設(shè)計(jì)更加高效的抑制劑提供理論依據(jù)。

哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是1991年HEITMAN等從酵母中分離出的一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇激酶(PIKK)家族，是PI3K/Akt下游信號(hào)通路的一個(gè)重要的效應(yīng)分子[1]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：在PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路活化后，能夠加快細(xì)胞生長(zhǎng)，減少細(xì)胞凋亡，并能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移[2-9]。雷帕霉素及其衍生物(RAD-001、CCI-779)的效應(yīng)研究也說(shuō)明了mTOR信號(hào)通路在腫瘤的形成、生長(zhǎng)過(guò)程中占據(jù)重要地位，這在腦膠質(zhì)瘤、乳腺癌、卵巢癌研究中已有報(bào)道[10-11]。因此，本文針對(duì)29個(gè)苯并氮氧雜環(huán)類(lèi)衍生物進(jìn)行研究，尋求其抑制劑結(jié)構(gòu)與mTOR蛋白活性之間的關(guān)系，為設(shè)計(jì)更加有效的抑制劑提供新的思路。

1研究方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源及其預(yù)處理

基于29個(gè)苯并氮氧雜環(huán)類(lèi)mTOR抑制劑的結(jié)構(gòu)和活性(活性數(shù)值是pIC50，即IC50的負(fù)對(duì)數(shù)),從各個(gè)活性階段隨機(jī)選取20個(gè)分子作為訓(xùn)練集和9個(gè)分子作為測(cè)試集(表1用*表示)，所有的化合物均在SYBYL 2.0中進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的搭建[12-14]。用Tripos力場(chǎng)和MMFF94電荷對(duì)分子進(jìn)行能量最小化計(jì)算，優(yōu)化中將最大重復(fù)次數(shù)設(shè)置為1 000，Gradient設(shè)置為0.005，Color Option改為Force，其余參數(shù)使用默認(rèn)值。將優(yōu)化好的分子重新依次命名保存。選用訓(xùn)練集中活性最高的13號(hào)分子作為模板，采用SYBYL 2.0中的Align database模塊將訓(xùn)練集中所有分子進(jìn)行共同骨架疊合，見(jiàn)圖1。

圖1　共同骨架疊合

圖2為分子結(jié)構(gòu)。表1為CoMFA和CoMSIA模型的實(shí)驗(yàn)值(pIC50) 與預(yù)測(cè)值 (pIC50)以及差值。

圖2　分子結(jié)構(gòu)

1.2建立3D-QSAR模型

通過(guò)CoMFA[15]和CoMSIA[16-17]兩種方法建立3D-QSAR模型。在建模過(guò)程中，使用一個(gè)以sp3雜化的C+探針來(lái)計(jì)算分子格點(diǎn)空間距離為0.2 nm的分子場(chǎng)。之后進(jìn)行回歸分析，運(yùn)用偏最小二乘法(PLS)以及抽一法(LOO)進(jìn)行相互驗(yàn)證得到模型的主成分?jǐn)?shù)n和交叉驗(yàn)證系數(shù)q2[18-19]。運(yùn)用非交叉驗(yàn)證法得到相關(guān)系數(shù)r2、標(biāo)準(zhǔn)偏差SEE以及F值。最后通過(guò)建立的3D-QSAR模型對(duì)測(cè)試集進(jìn)行活性預(yù)測(cè)。

在建模的過(guò)程中，CoMFA模型使用了立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)來(lái)描述，而CoMSIA模型采用立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、疏水場(chǎng)、氫鍵供體場(chǎng)、氫鍵受體場(chǎng)來(lái)描述[20-21]。一般情況下交叉驗(yàn)證系數(shù)q2> 0.5才具有較好的預(yù)測(cè)能力。CoMFA和CoMSIA使用相同的方法進(jìn)行模型的建立。

表1　CoMFA和CoMSIA模型的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值以及差值

續(xù)表

Com.R1R2R3R4ActualpIC50CoMFAPredResCoMSIAPredRes21*SO2Men-PrH7.5538.014-0.4617.559-0.00622*SO2MeNHEtH6.6908.105-1.4157.561-0.87123SO2MeClH7.6357.6280.0078.156-0.52124SO2MeBrH8.2848.287-0.0038.1790.10525*SO2MeHMe8.1808.420-0.2408.345-0.16526*SO2MeMeF8.8548.1770.6778.0070.84727*SO2MeEtF8.5388.3270.2118.0870.45128SO2MeHH7.8867.8720.0148.071-0.18529SO2MeMeF8.0047.9840.0208.093-0.089

“*”:text set

2結(jié)果與討論

2.13D-QSAR模型

訓(xùn)練集CoMFA 和 CoMSIA模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。其中：在CoMFA模型中，相互驗(yàn)證系數(shù)q2=0.674,回歸系數(shù)r2=0.995，最佳成分?jǐn)?shù)為6，標(biāo)準(zhǔn)偏差SEE為0.061，F(xiàn)值為464.980；在CoMSIA模型中，相互驗(yàn)證系數(shù)q2=0.782,回歸系數(shù)r2=0.932，最佳成分?jǐn)?shù)為3，標(biāo)準(zhǔn)偏差SEE為0.210，F(xiàn)值為73.613。這些數(shù)值都說(shuō)明模型是可信的，并且擁有良好的預(yù)測(cè)能力。

2.2模型驗(yàn)證

對(duì)CoMFA 和CoMSIA模型的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行線性回歸分析(圖3)可以發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值有較好的擬合度，表明實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間存在良好的相關(guān)性。

表2　訓(xùn)練集CoMFA 和CoMSIA 模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.3CoMFA 和 CoMSIA模型結(jié)果分析

圖4是用活性最高的化合物13為模板來(lái)分析CoMFA和COMSIA模型的三維等勢(shì)圖。圖4(a)為CoMFA立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)下的等勢(shì)圖，其中立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)的貢獻(xiàn)分別是39.8%和60.2%，由此可知在CoMFA模型中靜電場(chǎng)占據(jù)主要地位。圖4(a)中黃色表示增大基團(tuán)活性降低，綠色表示增大基團(tuán)會(huì)增加活性，從圖中可以看出：R1位取代基苯并咪唑的2號(hào)位添加1個(gè)甲基后活性增大，如化合物13的活性大于12；相對(duì)于化合物9和10，在咪唑環(huán)的NH位(黃色區(qū)域)添加甲基后活性減小。圖中紅色代表增加帶負(fù)電基團(tuán)有利于增加活性，藍(lán)色代表帶正電基團(tuán)有利于增加活性。R1位取代基苯并咪唑基的NH位置的不同導(dǎo)致活性發(fā)生差異。 如化合物12號(hào)的活性大于化合物11，化合物07的活性大于化合物08的活性。在這個(gè)模型中靜電場(chǎng)的貢獻(xiàn)達(dá)到了60.2%，在今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)以此為焦點(diǎn)。

圖3　3D-QSAR模型中訓(xùn)練集和測(cè)試集實(shí)驗(yàn)值

圖4(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)的是CoMSIA 模型立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)、CoMSIA 模型疏水場(chǎng)、CoMSIA 模型氫鍵供體和受體場(chǎng)三維等勢(shì)圖。圖4(b)中靜電場(chǎng)和立體場(chǎng)顏色的表示意義同COMFA一樣。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)等勢(shì)域在這兩個(gè)模型中的分布大致相同。圖4(c)中黃色區(qū)域代表添加疏水基團(tuán)可以增加分子的活性，灰色區(qū)域?yàn)槭杷焕麉^(qū)域。如R2位上替換為憎水基團(tuán)后，活性變強(qiáng)，如02，07，08號(hào)化合物的活性分別大于01，09，10號(hào)化合物的活性。圖4(d)中藍(lán)綠色代表增加氫鍵供體有利于增加活性，紫色相反，紫紅色表示增加氫鍵供體有利于活性增加，紅色與之相反。如化合物10在NH位用甲基取代H后活性小于化合物09。在CoMSIA模型中，氫鍵供體的貢獻(xiàn)值為42.8%，因此應(yīng)該著重在氫鍵供體方面修飾分子。

圖4　三維等勢(shì)圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)29個(gè)苯并氮氧雜環(huán)類(lèi)mTOR抑制劑進(jìn)行三維定量構(gòu)效關(guān)系的研究分析，得到兩個(gè)穩(wěn)定且具有較好預(yù)測(cè)能力的CoMFA和CoMSIA模型。通過(guò)兩種模型的三維等勢(shì)圖確定了在R1位取代基苯并咪唑的2號(hào)位增大基團(tuán)或者替換為憎水基團(tuán)后活性增大，反之活性降低。在R1位取代基苯并咪唑的NH位增加氫鍵供體后會(huì)降低化合物的活性。

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(責(zé)任編輯何杰玲)

3D-QSAR Studies on Thiazole Derivatives as mTOR Protein Inhibitors

MAO Li-jing1,WEN Xiao-rong2, SHU Mao2

(1.Jiangsu Jiuxu Pharmaceutical Co., Ltd., Xuzhou 221200, China; 2.College of Pharmacy and Biological Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:On 29 benzene oxygen and nitrogen heterocyclic mTOR inhibitors, comparative molecular field analysis (CoMFA) and comparative molecular similarity indices analysis (CoMSIA) were performed on a series of mTOR protein inhibitors, and the CoMFA and CoMSIA model were built to carriy on the three-dimensional quantitative structure-activity relationship studies. The result show that the coefficients of cross-validation q2 and non cross-validation r2 for CoMFA model are 0.674 and 0.995 respectively, and for CoMSIA model are 0.782 and 0.932 respectively. Both models have good predictive capability and stability. Its 3 d isopotential map also confirmed the mTOR inhibitors relationship between structure and activity, which provides theoretical basis for more efficient design research of mTOR inhibitor.

Key words:mTOR inhibitor; mTOR protein; 3D-QSAR

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 1674-8425(2016)03-0074-06

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.03.013

作者簡(jiǎn)介：毛黎靜(1977—)，女，主要從事現(xiàn)代中藥制劑新劑型及脂肪乳注射劑的研究工作；舒茂(1975—)，男，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-12-26

引用格式：毛黎靜，文曉榮，舒茂.mTOR 抑制劑的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(3):74-79.

Citation format：MAO Li-jing,WEN Xiao-rong, SHU Mao.3D-QSAR Studies on Thiazole Derivatives as mTOR Protein Inhibitors[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(3):74-79.