張靜曉,李 燕,付新梅,潘艷秋*,楊 凌
(1.大連理工大學 化工學院,遼寧 大連 116024;2.大連理工大學 精細化工國家重點實驗室,遼寧 大連 116024;3.中國科學院大連化學物理研究所 藥物資源開發研究組,遼寧 大連 116023)
細胞凋亡(apoptosis)是程序性細胞死亡的一種形式,通過清除多余的衰老細胞維持體內細胞在數量、形態和功能上的平衡.細胞凋亡調控異常會導致個體不能正常發育、嚴重畸形或者不能存活,與許多疾病的發生密切相關.如在癌癥的研究過程中,人們發現癌癥的發生不僅與癌細胞的生長速度有關,而且與癌細胞的死亡速率密切相關,因此,細胞凋亡的異常調控被認為是癌癥發生和發展的重要影響因素之一.在癌癥治療中,用細胞凋亡誘導劑加快癌細胞的凋亡速度,特異性地殺死癌細胞,將會達到治療癌癥的目的.
細胞凋亡可由兩條途徑介導:一條是死亡受體介導的信號激活細胞內的caspases(半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶),另一條是通過線粒體釋放的凋亡酶激活因子激活caspases.這些活化的caspases可降解細胞內重要的蛋白,從而引起細胞死亡,因此,caspase在介導細胞凋亡的過程中起著非常重要的作用.Caspase-3是caspase家庭中最關鍵的凋亡執行分子之一,它可以剪切許多關鍵的凋亡靶蛋白酶,使細胞不可逆地走向死亡,研究具有caspase-3激活作用的細胞凋亡誘導劑是癌癥研究的熱點.
近二十多年中,已經發現了許多類具有藥理學作用的細胞凋亡誘導劑,如黃酮類及其衍生物(如漢黃芩素[1]、紫杉醇[2]等)、蒽醌衍生物(如EMO、PHY[3]等)、多環類化合物(如N-苯基煙酰胺類[4]、藤黃酸[5]、JET-522[6]等)、烴類(如二烯丙基二硫[7]、姜酮酚[8]等)、多肽類(如RGD 多肽類[9]、polyoxypeptins A 和B[10])等,其中,N-苯基煙酰胺類、漢黃芩素、JET-522、EMO 和藤黃酸等誘導劑都被證明是通過激活caspase-3來達到誘導癌細胞凋亡的目的的.Cai的研究小組通過高通量篩選實驗篩選出一類具有caspase-3激活作用的細胞凋亡誘導劑,包括N-苯基煙酰胺類[4]、4-苯胺基-2-(2-吡啶基)嘧啶類[11-12]、4-芳氨 基 喹唑啉 類[13-14]、N-苯基-1H-吡唑并[3,4-b]喹啉-4-胺類[15]等.這幾類誘導劑通過作用在caspase-3活化上游某個靶點,誘導T47D 乳腺癌細胞的凋亡.
傳統的藥物研究方法研發周期長,非常消耗人力、物力和財力,計算機輔助藥物設計通過定量地分析小分子結構和其物理化學特征與生物活性之間的關系,歸納出分子結構特點和生物活性之間的規律,從而能更好地指導開發具有高藥理作用的化合物,大大縮短了研發周期,降低了人力和財力的消耗.本文以153個來自Cai的研究小組的細胞凋亡誘導劑為研究對象進行藥物設計.由于這類誘導劑分子的具體作用靶點尚不清楚,采用間接藥物設計方法,包括比較分子力場法(CoMFA)和比較分子相似性指數法(CoMSIA),建立誘導劑的分子結構特征與其生物活性之間的三維定量構效關系(3D-QSAR)模型,為設計和開發高活性的新型細胞凋亡誘導劑提供理論指導.
數據集由9類具有caspase-3激活作用的細胞凋亡誘導劑組成,如圖1所示,包括N-苯基煙酰 胺[4](M001)、4-苯胺基-2-(2-吡 啶基)嘧啶類[11-12](M010)、4-芳氨基喹唑啉類[13-14](M034)、N-苯基-1H-吡唑并 [3,4-b]喹啉-4-胺類(M041)[15]、(4-萘基)苯基甲酮類(M054)[16]、N-甲基-N-苯基-1-萘胺類(M060)[16]、4-苯胺基-N-甲基噻吩并[3,2-d]嘧啶類(M097)[17]、4-苯胺基-N-甲基噻吩并[2,3-d]嘧啶類(M105)[17]、N-芳基-9-氧-9H-芴基-1-甲酰胺類(M115)[18-19],共153個化合物小分子.化合物的結構和其對應的活性數據(EC50)均來自Cai的研究小組.建模過程中,EC50值被轉化為pEC50(-logEC50),作為定量構效關系研究的因變量.遵循訓練集和驗證集的分子比例為4∶1的原則,隨機選擇119個化合物作為訓練集,其余34個化合物作為驗證集來驗證所建模型的可靠性.圖2為20個代表性化合物的分子結構及其活性數據.
3D-QSAR模型的建立和分析在SYBYL 6.9軟件包(Tripos公司)中進行.利用該軟件中的Sketch molecule模塊構建小分子化合物初始的三維結構.小分子能量優化的參數設置為Tripos力場、Gasteiger-Huckel電荷、Powell共軛能量梯度法,能量收斂限定為2 090J/(mol·nm)[20].為了構建具有較好預測能力的QSAR 模型,基于配體分子的公共骨架對所有的化合物進行了疊合,在疊合過程中,以擁有最高pEC50值的M071 號分子(pEC50=8.70)作為模板分子.如圖3(a)所示,藍色加粗部分是分子疊合過程所選的公共子架,所有分子疊合的效果如圖3(b)所示.由圖可見,數據集中的所有分子疊合良好,為構建QSAR模型奠定了基礎.

圖1 9類細胞凋亡誘導劑的代表性分子結構Fig.1 Representative molecular structures of nine series of apoptosis inducers

圖2 代表性細胞凋亡誘導劑的分子結構及其活性信息Fig.2 Molecular structures and activities of representative apoptosis inducers

圖3 數據集中所有分子的疊合圖Fig.3 Molecular alignment of all molecules in the dataset
骨采用CoMFA 和CoMSIA 兩種分析模型研究小分子誘導劑與其活性之間的定量構效關系.在CoMFA 分析中,疊合后所有的小分子被放入一個步長為0.2nm 的三維網格中,以一個帶正電荷的sp3碳原子為探針,分別對每個網格點上 位 阻 場(steric field)和 靜 電 場(electrostatic field)的大小及分布進行了探測,計算過程中的能量閾值設定為144kJ/mol,其他參數采用系統默認值.CoMSIA 分析是CoMFA 分析的一種延伸,除了具有CoMFA 分析中的位阻場和靜電場外,還引入了疏水場(hydrophobic field)、氫鍵供體場(hydrogen-bond donor field) 和 受 體 場(hydrogen-bond acceptor field).在CoMSIA 分析中,網格步長設置為0.5nm,其他參數的設置和CoMFA 分析中一致.分子j上的原子i在網格點q上CoMSIA相似性指數(AF)可由下面公式[21]計算得到:

式中:k為位阻場、靜電場、疏水場、氫鍵供體場和受體場的描述符,ωprobe,k為探針離子的分子場特征(原子半徑為0.1nm、電荷為+1、疏水性為+1、氫鍵受體和供體的強度都為+1),ωi,k為原子i的分子場特征k的實際數值,ri,q為探針離子在網格點q上與原子i之間的距離.
為了構建具有統計顯著性的3D-QSAR 模型,以CoMFA 和CoMSIA 中的各個分子力場為自變量,以pEC50為因變量進行了PLS 分析.在PLS分析中,先用交叉驗證抽一法(leave-oneout)計算驗證系數Q2,得到最佳主成分數Nc,然后采用非交叉驗證法計算獲得QSAR 模型,并得到非交叉驗證相關系數R2ncv.相關系數R2pred由下式計算得到:

式中:Yactual為驗證集中化合物的實驗活性,Ymean為訓練集中化合物的平均活性,Ypred為驗證集中化合物的預測活性.
在QSAR 建模過程中,從153個誘導劑中隨機選取119個化合物作為模型的訓練集,其余34個化合物作為驗證集.通過PLS分析,最終得到了較優的CoMFA 和CoMSIA 模型(如表1所示),最優的CoMFA 模型僅由位阻場描述符組成.最終7個成分的交叉驗證系數Q2=0.32,非交叉驗證系數R2ncv=0.88,標準差ese為0.31.使用驗證集來檢驗該模型時,驗證集預測值相關系數R2pred為0.75,驗證集的最小預測偏差ep為0.74.在統計分析中,如果模型的Q2<0.4,表明此模型的預測能力小于均值預測能力.故最優CoMFA 模型的預測能力并不理想.
最優的CoMSIA 模型由位阻場、靜電場、疏水場、氫鍵供體場和受體場5種力場的描述符構建而成.模型的統計結果顯示,交叉驗證系數Q2為0.51(Q2>0.4),最佳組分數Nc為7,標準差為0.29,表明此模型具有良好的內部預測能力.較高的非交叉驗證系數(R2ncv=0.89)表明該模型中的預測值和實驗值自洽性良好.用驗證集來檢驗該模型,結果為R2pred=0.82,ep=0.63,表明此模型良好的外部預測能力.在構建CoMSIA 模型的5個力場中,靜電場和氫鍵受體場的貢獻率分別為25%和29%,明顯高于其他3個力場的貢獻率,表明氫鍵受體場和靜電場對細胞凋亡誘導劑的生物活性影響比較大.
圖4是最優CoMSIA 模型中所有小分子誘導劑實驗和預測活性值之間線性擬合圖.由圖可見,數據集中所有分子均勻地分布在趨勢線的兩側,分子的預測值和實驗值非常接近,表明CoMSIA模型良好的預測能力.

表1 CoMFA 和CoMSIA 模型的統計結果Tab.1 Statistical results of the CoMFA and CoMSIA models

圖4 最優CoMSIA 模型中小分子誘導劑的實驗和預測活性值之間的線性擬合Fig.4 The predicted versus actual pEC50values of the training and test sets based on the optimal CoMSIA model
為了進一步地分析各個力場對誘導劑分子活性的影響,以M071 號分子為模板分析最優CoMSIA 模型的StDev*Coeff三維等值線圖,結果如圖5所示.由圖可見,這些等值線圖能非常直觀地反映誘導劑小分子的各個不同力場對其生物活性的影響.
圖5(a)是最優CoMSIA 模型的位阻場等值線圖,其中綠色云團表示這一區域中大的取代基有利于誘導劑分子的生物活性,黃色區域代表大的取代基不利于分子的活性.對應圖2結構式由圖5(a)可見,在R1和R4取代基附近有一個較大的黃色云團,而在R4取代基以及B 環和C 環后方有一個大的綠色云團,表明R1取代基位置上連接一個較小的取代基有利于提高小分子的誘導活性,而R4取代基處連接一個中等大小的取代基有利于提高小分子的生物活性.結果與誘導劑分子的實驗結果是一致的,例如,M067 號分子(pEC50=8.70)在R1取代基處有一個相對較小的甲基取代基,活性高于在R1處取代基為乙基的M068號分子(pEC50=8.05);在R4處為甲基取代基的M020號分子(pEC50=8.70),活性明顯高于M035號分子(R4位取代基為乙基,pEC50=7.41);R4取代基非常小時也不利于分子的活性,如M073號分子(pEC50=5.19)的R4位取代基為H,活性明顯小于R4位取代基為甲基的M067號分子.同理,R2取代基處出現了一個小的綠色云團,表明此位置上一個較大的取代基有利于分子的活性.

圖5 最優CoMSIA 模型的等值線圖Fig.5 Optimal CoMSIA model contour plots
最優CoMSIA 模型的靜電場等值線圖如圖5(b)所示,在藍色區域引入正電性的基團或在紅色區域引入負電性的基團有利于提高誘導劑小分子的生物活性.對應圖2結構式由圖5(b)可見,在R2取代基處有一個較大的紅色云團,表明在R2處引入負電性的基團有利于誘導劑的活性.譬如M020和M023(pEC50=8.30)號分子由于在R2位置引入了具有負電性取代基(分別是OMe和OEt取代基),而具有較高的活性.同樣的現象也發生在B 環的1號位上,此處的紅色小云團表明在此位置引入負電性的取代基有利于分子的誘導活性.在A 環的3號位上有一個較大的藍色區域,表明誘導劑分子在該區域是正電性的基團能提高其生物活性.結果與實驗值也是一致的,如M030(pEC50=5.35)和M033(pEC50=6.17)號分子在此3號位上含有OMe取代基,分子活性較低.同理,C環的7號位上有一個藍色云團,表明在此區域引入正電性的基團有利于分子的生物活性.
圖5(c)是最優CoMSIA 模型的疏水場等值線圖.圖中的黃色和白色云團分別代表該區域中疏水性和親水性的取代基能提高分子的生物活性.對應圖2結構式由圖5(c)可見,R2取代基有一個較大的白色云團,表明該位置上親水性的基團有益于分子生物活性,可以通過分子實驗活性來證明,如M020、M023、M024(pEC50=7.82)和M027(pEC50=7.17)號分子具有共同的分子骨架,僅在R2位上的取代基不同,分別是OMe、OEt、Me和Cl,而其活性則是逐漸降低的.同理R1取代基上兩個白色的云團也顯示了該區域中引入親水性基團是有利于誘導劑分子活性的.而圍繞R4取代基和B環有一塊大的黃色云團和兩塊小的白色云團,表明在這一區域內取代基的疏水性對誘導劑分子的活性影響比較大.
最優CoMSIA 模型氫鍵供體場的等值線圖如圖5(d)所示.圖中青色云團代表該區域中氫鍵供體基團將有利于提高誘導劑分子的活性,紫色云團表示氫鍵供體基團在該區域不利于分子的生物活性.對應圖2結構式由圖5(d)可見,圍繞著R4取代基有兩個青色區域,表明在這一區域具有氫鍵供體作用的取代基能提高分子的生物活性,可以用實驗數值來證明,如 M062(pEC50=8.40)、M067和M071號分子在該區域都含有氫鍵供體基團(Me),生物活性明顯高于其他誘導劑的活性.同理C 環周圍的青色區域表明該區域氫鍵供體取代基有利于分子的生物活性.另外,在B環的1號位上出現了紫色區域,表明該區域中氫鍵供體基團不利于小分子的誘導活性.M021 號分子(pEC50=8.22)在B 環1號位上具有氫鍵受體取代基(—N—),活性大于在該位上取代基為—C—的M152號分子(pEC50=7.68).
圖5(e)為最優CoMSIA 模型的氫鍵受體場等值線圖,其中紫色云團代表氫鍵受體場在這一區域有利于分子活性,紅色云團代表氫鍵受體場在這一區域不利于分子活性.對應圖2結構式由圖5(e)可見,R4和R1取代基周圍發現了紅色和紫色云團,結果與氫鍵供體場的結果一致.此外,在R2取代基處出現一個紅色的云團,表明在此區域氫鍵受體基團不利于誘導劑分子的活性.M020和M023號分子在該區域處存在氫鍵供體基團(OMe和OEt),分子的活性明顯高于其他誘導劑分子的生物活性.
通過對最優CoMSIA 模型的5個力場等值線圖進行分析,確定了此類化合物作為細胞凋亡誘導劑的分子結構特點.以M071號分子為模板,分析得出了各取代基處的力場作用特征,如圖6所示.

圖6 各取代基處的力場作用特征Fig.6 Interaction features of compound at each substituent
目前,具有caspase-3激活作用的細胞凋亡誘導劑主要包括多環類、黃酮類和烴類等,代表性的化合物如圖7所示.其中,Cai的研究小組通過T47D 乳腺癌細胞caspase-3活化檢測法篩選出了一大批多環類的細胞凋亡誘導劑[22],如N-苯基煙酰胺[4]、藤黃酸[5]、2-氨基-3-氰基-7-二甲氨基-4-芳基-1H-苯并吡喃[23]、2-氯-N-(4-甲氧基苯基)-N-甲基喹唑啉-4-胺(M020)[13]等;來自大蒜的二烯丙基二硫(DADS)能通過激活caspase-3 誘導人類白血病HL-60細胞的凋亡[7];姜酮酚([6]-paradol)及其結構類似物也是通過激活caspase-3途徑引起口腔鱗狀細胞癌KB的凋亡[8].
由圖7可見,具有caspase-3激活作用的凋亡誘導劑呈現出結構多樣性,通過作用在caspase級聯反應上游某個已知的或是未知的作用靶點來激活caspase-3,最終誘導細胞凋亡.由于這類分子結構多樣,作用靶點不明,很難對其進行綜合的比較和分析.因此,本文用間接的藥物設計方法對153個具有公共骨架的細胞凋亡誘導劑進行結構和活性的比較分析,有助于指導開發更高效的細胞凋亡誘導劑.

圖7 Caspase-3激活作用的細胞凋亡誘導劑Fig.7 Apoptosis inducers through activation of caspase-3
采用3D-QSAR中的CoMFA 和CoMSIA 兩種方法,對153個具有caspase-3激活作用的細胞凋亡誘導劑進行三維定量構效關系研究.結果顯示,CoMSIA 模型(Q2=0.51,R2ncv=0.89 和R2pred=0.82)具有良好的可靠性和預測能力.通過對該模型中5個力場等值線圖的分析,確定了此類化合物作為細胞凋亡誘導劑的結構特點.具體結論如下:
(1)誘導劑分子中的R1、R2和R4取代基,以及B環的1號位、A 環的3號位和C 環的7號位是提高生物活性的關鍵位點.
(2)R2位取代基提高誘導劑分子活性的因素有位阻大、負電性大、有親水性和具有氫鍵供體作用.
(3)在R4取代基處引入位阻中等大小和(或)有氫鍵供體作用的基團,以及R1位置引入位阻小和(或)親水的取代基時,誘導劑小分子的生物活性會增加.
(4)A 環的3號位和(或)C 環的7號位引入正電性基團,以及B 環的1號位引入負電性取代基,都將有利于增加誘導劑分子的活性.
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