吡喃酮類化合物的3D-QSAR及分子對接研究

吳魯陽， 王天浩， 馮 怡， 張 星， 仝建波

(陜西科技大學 化學與化工學院 陜西省輕化工助劑重點實驗室， 陜西 西安 710021)

0 引言

艾滋病，即獲得性免疫缺陷綜合癥(Acquired Immune Deficiency Syndrome，AIDS)已經(jīng)成為了當今時代仍未被攻克的醫(yī)學難題之一[1].目前，在發(fā)展中國家，人類免疫缺陷病毒/獲得性免疫缺陷綜合癥(HIV/AIDS)的流行對于公共衛(wèi)生來說仍是一個巨大的挑戰(zhàn).根據(jù)聯(lián)合國艾滋病規(guī)劃署(UNAIDS)的報告，2017年全球有近3 690萬人感染艾滋病病毒，94萬人死于艾滋病，180萬人新感染艾滋病病毒[2].我國衛(wèi)生計生委發(fā)布的《2016年我國衛(wèi)生和計劃生育事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》指出，艾滋病依然占全國甲乙類傳染病共報告死亡數(shù)的首位，占全部甲乙類傳染病共報告死亡數(shù)的78.4%[3].

人類免疫缺陷病毒(Human Immunodeficiency Virus，HIV)是消滅艾滋病的主要障礙，如何有效地抑制該病毒是當前艾滋病的研究重點之一[4].人類免疫缺陷病毒可分為兩種類型，即I型(HIV-1)和II型(HIV-2)[5-7]，這兩種類型的病毒之間存在一定的聯(lián)系，而絕大多數(shù)AIDS都是由I型(HIV-1)病毒所引起的[8,9].目前，HIV的藥物主要有逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑、整合酶抑制劑、蛋白酶抑制劑和進入抑制劑4種[10].

吡喃酮類化合物作為一類新型抗艾滋藥物，具有良好的生物利用度，同時具備生產(chǎn)成本低、分子量小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，因此具有良好的研究應用前景.如果能夠進一步研究結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設計分子并提高其生物活性，則有望成為一類新型高效抗艾滋藥物[11].

三維定量構(gòu)效關系[12]是一種應用廣泛的設計藥物分子的方法，它可以有效地把分子結(jié)構(gòu)與其理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、生物活性等結(jié)合起來.三維定量構(gòu)效關系中具代表性的方法有CoMFA(Coparative molecular field analysis)與CoMSIA(Coparative molecular similarity index analysis)[13].

本文采用第二代CoMFA方法，即易位體比較分子場(Topomer CoMFA)[14]對18個吡喃酮類化合物進行3D-QSAR研究，建立了Topomer CoMFA模型，并通過Topomer Search技術[15]在ZINC數(shù)據(jù)庫中進行R基團的虛擬篩選，設計出高活性的新分子，并采用分子對接[16]研究了新設計的分子與蛋白活性位點間的結(jié)合方式，在理論上為實際合成該系列新藥物提供了理論參考.

1 實驗部分

1.1 數(shù)據(jù)來源與分子結(jié)構(gòu)

本文所研究的18個吡喃酮類化合物來源于文獻[11,17].所有選取的18個化合物的分子結(jié)構(gòu)骨架見圖1所示，其結(jié)構(gòu)和生物活性值見表1所示.采取隔三選一的方法將整個數(shù)據(jù)集分為訓練集與測試集兩部分，其中13個化合物作為訓練集建立3D-QSAR模型，其余5個化合物作為測試集檢驗模型的預測能力.所有化合物的生物活性用pIC50(-logIC50)表示，IC50為抑制劑的半抑制濃度.

圖1 化合物的結(jié)構(gòu)骨架

表1 化合物的結(jié)構(gòu)和生物活性值

1.2 模型的建立

運用Powell能量梯度法，施加Tripos分子力場優(yōu)化化合物分子[18]，通過加載Gastelger-Huckel電荷，設定0.05 kcal/mol為能量收斂梯度值，1 000為最大迭代次數(shù)，剩余參數(shù)為SYBYL2.0-X默認值，取得分子的最低能量構(gòu)象[19].

以訓練集pIC50值最高的12號分子作為模板，通過兩種方式對吡喃酮類化合物進行切割，并對其周圍的立體場和靜電場進行計算，利用偏最小二乘回歸法(PLSR)對化合物進行建模.

1.3 虛擬篩選

本研究采用Topomer Search[20]技術，通過ZINC數(shù)據(jù)庫中，篩選得到高活性貢獻值的R基團.其中，Topomer CoMFA距離值為185.0，剩余參數(shù)為SYBYL2.0-X默認值.

篩選結(jié)果由Topomer CoMFA距離和R基團的活性貢獻值體現(xiàn)，從數(shù)據(jù)庫中篩選測出的R基團貢獻值[21].一般在分子相似程度范圍內(nèi)，R基團貢獻值越大，表明基團越有價值.

1.4 分子對接

采取Surflex-dock[22]技術進行分子對接，由PDB數(shù)據(jù)庫提供對接所用的蛋白酶晶體結(jié)構(gòu)，PDB數(shù)據(jù)庫 ID為：1EE0，對接方式為SFXC.通過Total-Score、Crash和Polar函數(shù)評價分子對接結(jié)果[23]：Total-Score為總打分函數(shù)，分值越高表明受體與配體的親和能力越好；Crash為碰撞打分函數(shù)，絕對值越趨近于零表明受體與配體對接的不適當程度越??；Polar為極性函數(shù)，結(jié)合位點在分子表面時，分值越高越好；結(jié)合位點在分子內(nèi)部時，分值越低越好.

2 結(jié)果與討論

2.1 建模的結(jié)果評價

通過Topomer CoMFA模型構(gòu)建及預測化合物活性，以活性值最高的12號分子為如表2所示對化合物采用兩種切割方式.

其中R1基團為藍色，R2基團為紅色，公共骨架為綠色.從表2可得出，兩個模型的主成分數(shù)N分別為2和3，F(xiàn)(Fisher驗證值)分別為19.799和23.879，r2(非交叉相關系數(shù))均大于0.6，q2(交互驗證系數(shù))均大于0.5，SEE(標準估計誤差) 分別為0.253和0.199，結(jié)果表明兩種切割方式下構(gòu)建的3D-QSAR模型都具有良好的擬合與預測能力，但模型2還較好的保存有化合物公共骨架，有利于R基團同公共骨架的選擇.基于以上因素，選擇模型2進行分子設計及對接研究.

圖2為模型2下的18個化合物實驗和預測活性值的線性回歸圖.圖中各點均勻分布于45 °線兩側(cè)，模型2的預測和擬合能力較強.

表2 Topomer CoMFA建模結(jié)果

2.2 Topomer CoMFA三維等勢圖分析

三維等勢圖(圖3)是在12號分子為模板的基礎上，按模型2構(gòu)建形成的.R1的立體場等勢圖和靜電場等勢圖分別為圖3(a)、3(b)；R2立體場等勢圖和靜電場等勢圖分別為圖3(c)、(d).圖3(a)、(c)綠色部分表示增大取代基的體積可提高化合物的活性，黃色部分表示減小取代基的體積可提高化合物的活性；圖3(b)、(d)紅色區(qū)域表明如引入帶負電性取代基可提高化合物的活性，藍色區(qū)域表明引入帶正電性取代基可提高化合物的活性.

通過對圖3(a)分析可知，R1取代基的位置上有大片綠色和小塊黃色區(qū)域，表明綠色區(qū)域引入大基團取代基有利于活性的提高；表明黃色區(qū)域引入小基團的取代基有利于活性的提高.例如在黃色區(qū)域，化合物10(pIC50=-0.65)在R1取代基苯環(huán)的Z處用基團-CH2OCH3取代了化合物17、08、14、07、01、06(pIC50=-1.04，-1.08，-1.38，-1.50，-1.54，-1.60)上的-H、化合物04(pIC50=-0.82)上的-CH2OH以及化合物03(pIC50=-1.18)上的-OCH3，活性有顯著提高.

由圖3(c)可以看出，在R2取代基的位置上有大片綠色區(qū)域，說明在此處引入體積大的取代基有利于活性的提高，以及部分少許黃色區(qū)域,說明在此處引入體積小的基團有利于活性的提高.例如在黃色區(qū)域，化合物02(pIC50=-1.52)在R2取代基的位置上用-H取代了化合物06(pIC50=-1.60)的-OH取代基，活性相對提高；在大片綠色區(qū)域，化合物 08、10、11和12(pIC50=-1.08，-0.65，-0.57，-0.15)在R2取代基苯環(huán)的位置上用-OCH2CH2OH取代了化合物 03、14、02(pIC50=-1.18，-1.38，-1.52)上的-H、化合物07(pIC50=-1.50)上的-NH2和化合物06(pIC50=-1.60)上的-OH，活性明顯提高.

(a)R1立體場等勢圖 (b)R1靜電場等勢圖

(c)R2立體場等勢圖 (d)R2靜電場等勢圖圖3 Topomer CoMFA三維等勢圖

2.3 分子設計

采用Topomer Search技術對R1和R2基團進行篩選，得到12個高活性的R2基團，同時選擇12號分子的R1基團作為新分子的R1基團，共設計12個新的吡喃酮類化合物.通過Sketch Molecule繪制12個新化合物分子結(jié)構(gòu)，并進行優(yōu)化，化合物活性預測采用建立的Topomer CoMFA模型進行，新設計的12個化合物結(jié)構(gòu)和預測活性值詳見表3所示.

通過表3可知，01、02、03、04、05、06、12號共7個新設計的分子活性值高于模板分子.表明新設計的化合物理論上具有較好的抗艾滋病作用，可以作為抗艾滋藥物的候選化合物.

2.4 分子對接

選擇PDB數(shù)據(jù)庫中與所研究的吡喃酮類化合物相關聯(lián)的大分子蛋白1EE0作為對接構(gòu)象，蛋白酶1EE0分類為轉(zhuǎn)移酶(乙酰乙酰輔酶A絡合的2-吡喃酮合酶).對1EE0進行預處理，提取出蛋白配體B/CAA700，通過創(chuàng)建形成活性口袋.如圖4所示，表現(xiàn)出活性位點空間內(nèi)配體小分子與大分子蛋白的相互作用.通過可行性驗證分析，驗證對接的準確性與可靠性.首先，導入提取的蛋白配體B/CAA700，對其加氫、優(yōu)化；接著把配體作為分子直接對接到大分子蛋白1EE0上，對接結(jié)果如圖5所示.得出配體B/CAA700構(gòu)象(紅色)與對接產(chǎn)生的1EE0對接構(gòu)象(綠色)在空間內(nèi)重疊程度良好，表明該方法準確可靠.

表3 設計化合物分子結(jié)構(gòu)與活性預測值

續(xù)表3

圖4 原型分子生成圖(灰色區(qū)域為原型分子)

圖5 晶體結(jié)構(gòu)中配體構(gòu)象與對接構(gòu)象的對接模式

將活性值高于模板分子的7個新設計的分子與1EE0進行對接，共得到5個滿足要求的對接模型.其中對接模型對應函數(shù)數(shù)值見表4所示.新設計分子01、03、04、05、06對接大分子蛋白活性位點的交互作用如圖6所示.其中，綠色線狀代表氨基酸殘基，黃色虛線代表氫鍵.

表4 分子對接結(jié)果

由圖6(a)看出，對于01號分子，對接構(gòu)象中O原子與B/ARG312中的H原子形成氫鍵，距離為1.927 ?；對接構(gòu)象中F原子與B/ARG274中的H原子形成氫鍵，距離為2.459 ?；對接構(gòu)象中O原子與B/ARG274中的H原子形成氫鍵，距離為1.926 ?，其形成另一個氫鍵距離為1.979 ?.

從圖6(b)可知，對于03號分子，對接構(gòu)象中O原子與B/ARG63中的H原子形成氫鍵，距離為1.852 ?；對接構(gòu)象中O原子與B/ARG274中的H原子形成另一個氫鍵，距離為2.501 ?.

由圖6(c)看出，對于04號分子，對接構(gòu)象中O原子與B/ARG274中的H原子形成氫鍵，距離為2.040 ?，其形成另一個氫鍵距離為2.741 ?；對接構(gòu)象中O原子與B/LYS67中的H原子形成氫鍵，距離為1.971 ?.

從圖6(d)可知，對于05號分子，對接構(gòu)象中O原子與B/ARG274中的H原子形成氫鍵，距離為1.978 ?；對接構(gòu)象中O原子與B/LYS60中的H原子形成氫鍵，距離為2.153 ?，其形成另一個氫鍵距離為2.552 ?.

由圖6(e)看出，對于06號分子，對接構(gòu)象中O原子與B/ARG312中的H原子形成氫鍵，距離為1.548 ?；對接構(gòu)象中H原子與B/THR68中的O原子形成氫鍵，距離為2.185 ?；對接構(gòu)象中O原子與B/LYS67中的H原子形成氫鍵，距離為2.633 ?.

(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別表示新設計分子01、03、04、05、06號分子與1EE0的氫鍵作用圖圖6 氫鍵相互作用圖

綜上結(jié)果表明，一般配體分子與B/ARG274殘基有氫鍵作用，如01、03、04、05號分子；配體分子與B/ARG312殘基有氫鍵作用，如01、06號分子；配體分子與B/LYS67殘基有氫鍵作用，如04、06號分子.

為了進一步說明這幾種氨基酸殘基的重要性，選擇原數(shù)據(jù)集中活性最高的12號分子與活性最低的06號分子分別進行對接研究，其結(jié)果如圖7所示.表明對接標準均符合要求.氨基酸殘基B/ARG312、B/ARG274均與兩個分子形成氫鍵；對于12號分子，還有氨基酸殘基B/THR68、B/ARG63、B/LYS60與分子作用生成氫鍵，對于06號分子，還有氨基酸殘基B/LYS67與分子作用生成氫鍵.

(a)、(b)分別表示12、06號分子與1EE0的氫鍵作用圖圖7 氫鍵相互作用圖

3 結(jié)論

本文通過Topomer CoMFA 模型的建立，對18個吡喃酮類化合物進行了3D-QSAR研究，得到了良好穩(wěn)定性及預測值的3D-QSAR模型.

首先，通過立體場與靜電場，分析了不同取代基結(jié)構(gòu)對活性的影響；然后，采用虛擬篩選技術從ZINC數(shù)據(jù)庫篩選得到高活性基團，共設計出12個具備較高活性的新分子，其中7個分子活性高于原數(shù)據(jù)集分子，1個分子與模板分子活性相等；最后，利用Surflex-dock模塊分析了5個分子配體及大分子蛋白1EE0之間的相互作用模式.

對接結(jié)果表明：配體與B/ARG274、B/ARG312、B/LYS67等氨基酸殘基可以形成強的氫鍵相互作用，為抗艾滋病藥物的進一步設計與合成提供了理論參考.