3，5—吡唑烷二酮衍生物與大腸桿菌MurB 酶的分子對(duì)接研究

覃初新　李天恩　戴康

摘要：指出了MurB 酶是細(xì)菌合成細(xì)胞壁的重要的合成酶，可以作為抗菌藥物的新的靶點(diǎn)。為了開發(fā)新的MurB 酶的抑制劑，選取了16個(gè)3，5-吡唑烷二酮衍生物作為配體，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)靶標(biāo)MurB 酶進(jìn)行了分子對(duì)接分析。結(jié)果顯示：16個(gè)化合物和MurB 酶都有較強(qiáng)的結(jié)合，其中12個(gè)化合物的對(duì)接打分函數(shù)超過了對(duì)照已知抑制劑；化合物中的3，5-吡唑烷二酮的結(jié)構(gòu)能夠和MurB 酶形成較強(qiáng)的氫鍵連接；而且分子中的芳基取代基也能夠和MurB 酶形成疏水性結(jié)合。

關(guān)鍵詞：肽聚糖；MurB 酶；分子對(duì)接；3，5-吡唑烷二酮衍生物

中圖分類號(hào)：R91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）20019003

1引言

肽聚糖是細(xì)菌細(xì)胞壁的重要組成部分[1]，在重量上占細(xì)菌細(xì)胞壁的50%～80%。肽聚糖主要有雙糖單位交聯(lián)聚合而成[2]，在組成肽聚糖的雙糖單位中，N-乙酰胞壁酸是主要的組成成分之一。細(xì)菌一般自己合成N-乙酰胞壁酸的活性形式，UDP-N-乙酰胞壁酸[3]。在該物質(zhì)的生物合成中，MurB 酶即（UDP-N-乙酰葡萄糖胺丙酮酸烯醇醚還原酶）起了非常關(guān)鍵的作用[4]。該酶通過還原烯醇醚結(jié)構(gòu)中的雙鍵，將UDP-N-乙酰葡萄糖胺丙酮酸烯醇醚轉(zhuǎn)化為UDP-N-乙酰胞壁酸[5，6]。而抑制該酶將減少或阻斷肽聚糖的合成，從而導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)不完整，最終會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌在滲透的壓力下產(chǎn)生溶菌[7]。因此，MurB酶是抗菌藥物開發(fā)的非常有價(jià)值的潛在靶標(biāo)。尤其是現(xiàn)今各種抗生素的耐藥菌泛濫，抗生素的效力大大下降的時(shí)候，尋找類似MurB的新抗菌靶標(biāo)和抗菌藥物，有著重大的臨床意義。

MurB是一種在細(xì)菌中廣泛分布的還原酶，筆者所討論的MurB來自于大腸桿菌K12（E. Coli. K12），由342個(gè)氨基酸組成。近年來一些合成的抑制劑見之于報(bào)導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)主要為3， 5-吡唑烷二酮的衍生物[8]。其活性主要在μM量級(jí)。為了獲得活性更加理想的化合物，有必要對(duì)現(xiàn)有的抑制劑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)用SYBYL軟件對(duì)MurB酶和小分子化合物的相互作用進(jìn)行模擬。在此基礎(chǔ)上，獲得活性小分子的結(jié)構(gòu)模型以及相應(yīng)的取代基模式，也包括MurB酶的活性中心的相關(guān)信息。本研究將為建立MurB酶抑制劑的虛擬篩選模型打下基礎(chǔ)，并為將來開發(fā)新的MurB酶抑制劑提供有益的幫助。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1對(duì)接軟件工具

SYBYL-X是美國 Tripos 公司開發(fā)的一個(gè)大型專業(yè)藥物設(shè)計(jì)軟件，涵蓋多個(gè)藥物設(shè)計(jì)的方面，可以進(jìn)行基于配體結(jié)構(gòu)的定量構(gòu)效關(guān)系，三維定量構(gòu)效關(guān)系以及藥效團(tuán)等建模方法，也可以進(jìn)行基于生物大分子結(jié)構(gòu)的分子對(duì)接和虛擬篩選等多個(gè)方面的研究，筆者采用SYBYL-X 2.0版本的Surflex-Dock模塊進(jìn)行分子對(duì)接。該方法可以進(jìn)行常規(guī)的半柔性（蛋白質(zhì)保持剛性）以及全柔性（蛋白質(zhì)的氨基酸殘基和小分子做柔性處理，其中的原子都可以變動(dòng)）對(duì)接。

2.2配體分子的準(zhǔn)備

從相關(guān)文獻(xiàn)[9]上獲取已知16個(gè)大腸桿菌Mur B抑制劑的分子結(jié)構(gòu)，均為取代的3，5吡唑烷二酮的結(jié)構(gòu)。在SYBYL中對(duì)選取的分子進(jìn)行3D-concord結(jié)構(gòu)修復(fù)和能量最小化。

2.3Mur B靶點(diǎn)的獲取和預(yù)處理

從PDB下載蛋白質(zhì)（code：2Q85）的晶體結(jié)構(gòu)，在SYBYL-X 2.0中使用biopolymer模塊對(duì)蛋白晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理，包括抽出原有小分子抑制劑結(jié)構(gòu)，除去蛋白晶體中的自由水分子，對(duì)蛋白質(zhì)的氨基酸殘基添補(bǔ)氫原子，修補(bǔ)肽鏈結(jié)構(gòu)等，隨后生成活性口袋。

2.4分子對(duì)接

應(yīng)用SYBYL-X 2.0/surflex-dock模板進(jìn)行分子對(duì)接，研究選取的16個(gè)化合物和MurB酶的相互作用模型。在經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理以后，將這16個(gè)小分子化合物與酶的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子對(duì)接，通過對(duì)接的打分函數(shù)以及所產(chǎn)生的復(fù)合物的三維和二維圖來分析MurB酶與小分子化合物的相互作用。

3結(jié)果與討論

表1 顯示了16個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)和分子對(duì)接的打分函數(shù)。打分函數(shù)表示小分子化合物和蛋白質(zhì)結(jié)合的能力。數(shù)值越大，表示結(jié)合越牢固。同時(shí)也做了在2Q85的三維結(jié)構(gòu)中所包含的抑制劑（3-（4氯苯基）-4-羥基-5-（萘甲烯基）-呋喃2（5H）-酮）作為對(duì)照（圖1），其對(duì)接的打分函數(shù)為4.87，在選擇的16個(gè)分子中，發(fā)現(xiàn)有12小分子的打分函數(shù)高于對(duì)照分子，其中化合物1的打分函數(shù)最高，為7.51。

結(jié)果表明，該類化合物與MurB酶有較好的親和活性。該類抑制劑分子的結(jié)構(gòu)主要由3，5-吡唑烷二酮組成，在1，2位各有一個(gè)取代苯基的取代基，在4位有一個(gè)?；娜〈?。其中吡唑烷二酮母核（圖2）可以形成烯醇式的互變異構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)是和MurB酶形成氫鍵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。1，2位的取代苯環(huán)上的取代基主要以4位的氯取代為主，通過比較打分函數(shù)，發(fā)現(xiàn)1，2位的取代苯基上以單氯取代為優(yōu)。4位的取代基需要有一定的體積和極性，以氟取代或者三氟甲基取代為優(yōu)。

從復(fù)合物的三維模擬圖（圖3）上可以看出，氫鍵主要形成在ASN233，ARG159和TYR190這三個(gè)氨基酸殘基上，由此說明，這三個(gè)氨基酸殘基在相互作用中起到了關(guān)鍵性的影響。在二維圖（圖4）中發(fā)現(xiàn)，除了上述三個(gè)氨基酸殘基參與形成氫鍵以外，TYS158也參與形成氫鍵，并且LYS262參與和4位的取代基形成芳環(huán)的疏水性結(jié)合。另外活性中心存在三個(gè)疏水性口袋分別結(jié)合吡唑環(huán)上的三個(gè)取代基。通過對(duì)其它15個(gè)分子的對(duì)接結(jié)果進(jìn)行分析也得到了相似的結(jié)果（文中未列出）。

生物與化工

4結(jié)論

本文選取了16個(gè)合成MurB酶抑制劑，并將其與MurB酶的三維結(jié)構(gòu)（PDB：2Q85）進(jìn)行了分子對(duì)接。通過分析對(duì)接的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這些抑制劑分子中的大部分和MurB酶有較強(qiáng)的結(jié)合，其結(jié)合能力強(qiáng)于已知的抑制劑分子3-（4氯苯基）-4-羥基-5-（萘甲烯基）-呋喃-2（5H）-酮。在小分子和MurB酶的相互作用中，強(qiáng)烈的氫鍵結(jié)合主要發(fā)生在3，5吡唑二酮的烯醇式結(jié)構(gòu)和活性中心的ASN233，ARG159和TYR190氨基酸殘基上，另外在活性中心上還有三個(gè)疏水性的結(jié)合口袋可以結(jié)合5-羥基-3-吡唑酮上的三個(gè)取代基。這種多點(diǎn)結(jié)合的模型表明該類化合物能夠較好的抑制MurB酶的活性。endprint

根據(jù)分子對(duì)接的結(jié)果，還發(fā)現(xiàn)，3，5-吡唑烷二酮中的這種烯醇式的結(jié)構(gòu)對(duì)于小分子和MurB酶相互作用非常關(guān)鍵，這個(gè)結(jié)構(gòu)和對(duì)照抑制劑分子中的4-羥基呋喃-2-酮的結(jié)構(gòu)非常相似。另外，在活性的分子中，也應(yīng)該具有一些芳環(huán)結(jié)構(gòu)的取代基，這樣將有利于小分子和MurB酶之間形成疏水性的結(jié)合。

本文的3，5-吡唑烷二酮衍生物和MurB酶的分子對(duì)接研究，有助于建立MurB酶抑制劑的虛擬篩選模型。在MurB酶抑制劑作用機(jī)制研究以及新藥研發(fā)中有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]

Boris D，F(xiàn)ilip T，Stefan E. Towards a comprehensive view of the bacterial cell wall[J].TrendsMicrobiol，2005（13）：269～274.

[2]Waldemar V， Ute B. Murein （peptidoglycan） structure，architecture and biosy- nthesis in Escherichia coli[J].Biochim Biophys Acta，2008（1778）：1714～1734.

[3]Karl H S，Otto K. Peptidoglycan Types of Bacterial Cell Walls and their Taxonomic Implications[J]. Bacteriol Rev，1972（36）：407～ 477.

[4]Benson T E，Walsh C T，Hogle J M. Crystalliza-tion and preliminary X-ray crystallographic studies of UDP-N-acetylenolpyruvyl-glucosamine reductase[J]. Protein Sci，1994（3）：1125～1127.

[5]Benson T E，Marquardt J L，Marquardt A C，et al. Overexpression，Purification， and Mechanistic Study of UDP-7V-Acetylenolpyruvylglucosamine Reductase[J]. Biochem，1993（32）：2024～2030.

[6]Lees W J，Benson T E，Hogle J M，et al. （E）-Enolbutyryl-UDP-N-acetylglucosa- mine as a Mechanistic Probe of UDP-N-acetylenolpyruvylglucosamine Reductase （MurB）[J]. Biochem，1996（35）：1342～1351.

[7]Weidel W，Pelzer H. Bagshaped macromolecules-a new outlook on bacterial cell walls[J].Adv Enzymol Relat Areas Mol Biol，1964（26）：193～232.

[8]Yang Y J，Severin A，Chopra R. 3，5-Dioxopyrazolidines，Novel Inhibitors of UDP-N-Acetylenolpyruvylglucosamine Reductase （MurB） with Activity against Gram-Positive Bacteria[J]. Antimicrob. Agents Chemother，2006，50（2）：556～564.

[9]Gilbert A M，F(xiàn)ailli A，Shumsky J，et al. Pyrazolidine-3，5-diones and 5-Hydrox- y-1H-pyrazol-3（2H）-ones，Inhibitors of UDP-N-acetylenolpyruvyl Glucosamine Reduc- tase[J]. J Med Chem，2006（49）：6027～6036.

Molecular Docking Study for the Derivatives of 3， 5-Pyrazole Dione to MurB

Qin Chuxin， Li Tianen， Dai Kang

（School of Pharmacy， South-Central University for Nationalities， Wuhan， Hubei，430074， China）

Abstract： UDP-N-acetyl-enol pyruvate glucosamine reductase （MurB） is a key enzyme in the synthesis of cell wall and it is known as a new target of antibacterial. In order to develop novel MurB inhibitors， 16 derivatives of 3， 5-pyrazole dione were chosen as ligands and the molecular docking were processed to the active site of MurB. The results showed that most of chosen chemicals have strong binding to MurB and the docking scores of 12 chosen molecules are higher than reported inhibitor. The presented docking models show that the substructure of 3， 5-pyrazole dione in the chosen molecules play a key role in interaction between MurB and ligands and the substitutions in molecules can form the hydrophobic interaction to MurB.

Key words： peptidoglycans；MurB； molecular ocking； 3， 5-Pyrazole Dione Derivativesendprint