R基團搜索技術(shù)用于硼酸三肽蛋白酶體 抑制劑的分子設(shè)計

仝建波， 李園園， 江國艷， 李康楠

(陜西科技大學化學與化工學院，陜西西安 710021)

近年研究顯示，蛋白酶體抑制劑可以通過調(diào)控細胞周期，抑制核轉(zhuǎn)錄活化因子，從而達到抗腫瘤的目的[1 - 2]。硼酸肽類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)惡性腫瘤細胞。該類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]。作為第二代共價類蛋白酶體抑制劑的硼酸肽類，其代謝穩(wěn)定，且具較高的抑制活性和選擇特異性，毒副作用相對較低[4]。

三維定量構(gòu)效關(guān)系(3D-QSAR)是用統(tǒng)計分析工具和理論計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]。考慮到配體與受體作用時的空間取向，在不了解受體結(jié)構(gòu)的情況下，將分子周圍的力場分布與活性定量地聯(lián)系起來，明確給出對現(xiàn)有分子進行修飾的建議[6]。3D-QSAR中具代表性的方法比較分子場分析方法(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的構(gòu)效關(guān)系研究[9]。本文采用Topomer CoMFA[10]對硼酸三肽蛋白酶體抑制劑進行QSAR研究，在此基礎(chǔ)上進行基于R基團的Topomer search[11]研究，這為硼酸肽蛋白酶體抑制劑分子的設(shè)計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)集準備

本文所選的44個Tyropeptin硼酸三肽類蛋白酶體抑制劑來自文獻[2]，分為訓練集(25個化合物)和測試集(19個化合物，用*標注)。活性標度為pIc50，其分子結(jié)構(gòu)及活性數(shù)據(jù)見表1。

1.2 Topomer CoMFA

表1 44個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，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。以23號分子為模板，將分子切成一個核心基團和三個R基團，分割后運行Topomer CoMFA方法計算，切割方式如圖1所示。

1.3 Topomer Search

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

2 結(jié)果與討論

2.1 Topomer CoMFA模型評估

圖2 Tyropeptin硼酸三肽蛋白酶抑制劑分子訓練集和預測集樣本活性的線性回歸圖Fig 2 Linear regressions between observed and predicted pIc50 of boronic acid derivatives of tyropetin inhibitors

以34號分子為模板繪制各R基團靜電場和立體場的Topomer CoMFA模型等勢圖如圖3所示。由圖3(a)可看出，在R1殘基周圍存在大量綠色色塊圖，表示在此區(qū)域宜引入大體積的基團。化合物8(pIc50=7.229)，其R1基團整體相對34(pIc50=6.824)號化合物較大，活性也比后者高。R1遠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，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色體積圖，比較34(pIc50=6.824)和35(pIc50=6.959)，強負電性基團氫原子用正電性基團三氟甲基代替之后，化合物活性明顯提高。3(c)中，甲氧基周圍有黃色色塊，對比化合物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，在切割點遠端的甲氧基周圍出現(xiàn)了紅色等勢圖，甲氧基附近有藍色色塊圖?；衔?(pIc50=7.721)和3b(pIc50=8.357)，苯基增加了甲氧基，負電性增加，活性升高。由圖3(f)可知靜電場對化合物的活性影響較小。觀察圖3(e)可知，取代基殘基周圍有大片黃色區(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

通過Topomer search對ZINC數(shù)據(jù)庫中的分子式篩選，得到高貢獻值的R1、R2、R3基團分別為1 544、813和417個。綜合Topomer距離和取代基貢獻值，以3c號分子為模板進行過濾，分別選取較高貢獻值的R1和R3基團7個和5個，由于未篩選到高于0.19的R2基團，所以本文保持R2基團不變。依次替換R1和R3，設(shè)計得到35個新分子，對其進行優(yōu)化，優(yōu)化方式同44個樣本分子。其Topomer距離、R1及R3貢獻值列于表2。其中，20個化合物的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個化合物，其活性低于模板分子，可能是由于R1集團的體積與模板分子體積相較小所致，但所設(shè)計的所有分子均與前面所分析的Topomer CoMFA等勢圖分析一致。

表2 新化合物的預測活性以及R基團的Topomer距離及其貢獻值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44個Tyropeptin硼酸三肽類蛋白酶體抑制劑進行了三維定量構(gòu)效關(guān)系分析，并利用所建模型對19個測試集抑制劑進行了活性預測。采用Topomer Search技術(shù)在ZINC數(shù)據(jù)庫進行R基團的篩選，對分子中的兩個R基團進行替換，所設(shè)計出的20個分子理論抑制活性值比模板分子有較大提高，Topomer CoMFA等勢圖分析結(jié)果與模板分子一致，結(jié)果表明采用基于Topomer CoMFA模型的R基團搜索技術(shù)進行抑制劑的分子設(shè)計為抗腫瘤新藥設(shè)計提供新的候選物。