利用CoMFA和CoMSIA對(duì)大腸桿菌DXR抑制劑進(jìn)行3D-QSAR研究

肖 玉，李天恩，覃初新，戴 康

(中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢 430074)

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利用CoMFA和CoMSIA對(duì)大腸桿菌DXR抑制劑進(jìn)行3D-QSAR研究

肖 玉，李天恩，覃初新，戴 康

(中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢 430074)

指出了1-脫氧-D-木酮糖醇-5-磷酸還原異構(gòu)酶(DXR)是細(xì)菌細(xì)胞壁合成中的關(guān)鍵物質(zhì)2C-甲基-D-赤蘚糖醇-4-磷酸(MEP)合成途徑中的限速酶，該酶作為新型的抗菌藥物的靶點(diǎn)，被廣泛的研究。利用CoMFA和CoMSIA方法建立了大腸桿菌DXR抑制劑的3D-QSAR模型，通過(guò)該模型主要分析了化合物的結(jié)構(gòu)對(duì)活性的影響。結(jié)果表明：CoMFA模型預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)q2為0.671,回歸相關(guān)系數(shù)R2為0.950；CoMSIA模型預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)q2=0.559，回歸相關(guān)系數(shù)R2=0.973。說(shuō)明所建立的模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，能為DXR抑制劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

大腸桿菌；DXR抑制劑；CoMFA；CoMSIA；3D-QSAR模型

1 引言

類(lèi)異戊二烯以其衍生物在細(xì)胞壁的合成和能量代謝過(guò)程中具有重要的作用[1]。在絕大多數(shù)細(xì)菌體內(nèi)，類(lèi)異戊二烯的前體異戊酰焦磷(IPP)或二甲烯丙基焦磷酸(DMAPP)只能通過(guò)2C-甲基-D-赤蘚糖醇-4-磷酸(MEP)途徑進(jìn)行生物合成[2,3]。其中，1-脫氧-D-木酮糖醇-5-磷酸還原異構(gòu)酶(DXR)催化MEP途徑的第二步反應(yīng)，并且是該途徑中的限速酶.由于人體內(nèi)不存在MEP途徑和DXR類(lèi)似酶[4,5]，因此DXR可以作為潛在的靶點(diǎn)進(jìn)行抗菌藥物的研發(fā)。

研究發(fā)現(xiàn)膦胺霉素及其衍生物是DXR的有效抑制劑[6,7]，對(duì)絕大多數(shù)革蘭氏陰性和某些革蘭氏陽(yáng)性菌具有較強(qiáng)的抗菌活性[8]，但是對(duì)大腸桿菌的抑菌作用較弱[9]。因此研究大腸桿菌DXR抑制劑的結(jié)構(gòu)與生物活性之間的關(guān)系具有重要的臨床意義和應(yīng)用前景。以大腸桿菌DXR作為靶向蛋白，選擇活性較高的化合物進(jìn)行分子對(duì)接，以對(duì)接生成的構(gòu)象作為模板建立CoMFA和CoMSIA模型，使模型的顯著性強(qiáng)于經(jīng)典的分析方法，從而為膦胺霉素類(lèi)抑制劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 分子庫(kù)的準(zhǔn)備

從相關(guān)文獻(xiàn)[10～12]上獲取39個(gè)大腸桿菌DXR抑制劑的分子結(jié)構(gòu)和生物活性數(shù)據(jù), 其中生物活性數(shù)據(jù)以pIC50表達(dá)。對(duì)化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步分析，發(fā)現(xiàn)包含A和B兩種母核結(jié)構(gòu).從RCSB PDB下載蛋白質(zhì)(code：3ROI)的晶體結(jié)構(gòu)，選擇分子庫(kù)中活性最高的化合物(Template，pIC50 = 7.553)與蛋白質(zhì)進(jìn)行分子對(duì)接。從剩下的38個(gè)化合物中隨機(jī)的選擇7個(gè)化合物作為測(cè)試集，其余的31個(gè)化合物作為訓(xùn)練集(圖1)。

圖1 A、B及Template的分子式

2.2 分子疊合

在3D-QSAR分析中，通常選取能量最小的活性構(gòu)像作為分子排列的模版。本文選擇活性最好的分子(Template)中對(duì)接打分最高的構(gòu)象作為模板，利用Open3DALIGN軟件進(jìn)行分子疊合。將疊合生成的化合物構(gòu)象輸入新的數(shù)據(jù)庫(kù)中并加載相對(duì)應(yīng)的生物活性值。

2.3 CoMFA和CoMSIA分析

利用SYBYL-X軟件進(jìn)行CoMFA和CoMSIA分析，對(duì)訓(xùn)練集化合物加Gasteiger-Marsili電荷并計(jì)算CoMFA場(chǎng)參數(shù)。首先運(yùn)用留一法(LOO)進(jìn)行交叉驗(yàn)證分析，獲得交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)q2和最佳主成分?jǐn)?shù)(ONC)。然后利用獲得的ONC做非交叉驗(yàn)證的PLS分析并利用Region Focusing對(duì)初始的CoMFA值和PLS分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。在CoMSIA分析中，還需考慮疏水場(chǎng)、氫鍵供體和氫鍵受體對(duì)化合物活性的影響，CoMSIA的PLS分析過(guò)程與CoMFA基本相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 PLS分析結(jié)果

如表1所示，利用訓(xùn)練集建立的CoMFA和CoMSIA模型的交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)q2值分別為0.671和0.559。當(dāng)q2≥0.5時(shí)，表明由相應(yīng)的變量建立的模型具有可靠的預(yù)測(cè)能力。這說(shuō)明建立的CoMFA模型和CoMSIA模型可以對(duì)化合物的活性進(jìn)行有效的預(yù)測(cè).由于CoMFA模型的q2值明顯大于CoMSIA，因此在理論上CoMFA模型的預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)更好。在CoMFA模型中，還獲得非交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)(R2)為0.950，標(biāo)準(zhǔn)偏差(SEE)為0.229以及顯著性因子(F)為95.309，立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)對(duì)模型的貢獻(xiàn)值分別為58.1%和41.9%。在CoMSIA模型中，獲得的非交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)(R2)值為0.973，立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、疏水場(chǎng)、氫鍵供體、氫鍵受體的貢獻(xiàn)值分別為19.1%、21.9%、24.8%、27.6%、6.6%。為了進(jìn)一步檢測(cè)模型的預(yù)測(cè)能力，對(duì)測(cè)試集的化合物活性進(jìn)行預(yù)測(cè)。訓(xùn)練集和測(cè)試集化合物的結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)活性和預(yù)測(cè)活性見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)活性和預(yù)測(cè)活性做線性相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)試集化合物的活性基本分布在回歸直線的兩側(cè)(圖1、2)，這說(shuō)明模型有較好的預(yù)測(cè)能力。

表1 CoMFA 和CoMSIA 模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 38個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)和活性數(shù)據(jù)

續(xù)表2

22?H5．0905．0115．30323H5．1805．0565．21324bCH34．9595．1395．08925CH36．1906．3736．36326CH36．7966．9126．68027H6．5056．3706．66028CH35．6305．8085．88129COOCH2CH34．8004．5184．72430H5．1905．0775．07631H7．2297．3527．31832?CH37．0047．0527．06633CH36．9256．8386．89634H6．8076．9326．88535CH36．5506．4676．44736b?CH36．5386．6577．14237CH36．4026．5256．52538CH36．3386．4456．314

注：其中R1的左側(cè)與磷酸根相連；b表示化合物的母核結(jié)構(gòu)為B類(lèi)，其余為A類(lèi)；*表示測(cè)試集

圖2 CoMFA中實(shí)驗(yàn)活性和預(yù)測(cè)活性散點(diǎn)

圖3 CoMSIA中實(shí)驗(yàn)活性和預(yù)測(cè)活性散點(diǎn)

3.2 三維等高線圖

圖4和圖5分別顯示的是CoMFA模型中立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)對(duì)化合物活性的影響。在立體場(chǎng)中，綠色區(qū)域表示增加取代基的體積有利于增加化合物的活性，黃色區(qū)域表示減小取代基的體積有利于增加化合物的活性。如圖4所示，R1位于黃色區(qū)域和綠色區(qū)域之間，當(dāng)R1體積較小時(shí)主要靠近黃色區(qū)域，此時(shí)減小R1體積可以提高化合物的活性。例如化合物26和28在R1處的取代基分別為環(huán)丙基和環(huán)戊基，由于環(huán)丙基的體積小于環(huán)戊基，所以化合物26的活性大于化合物28。化合物19和21的R1取代基分別為CH(CH2CH3)CH2CH2和 CH(CH2CH2CH3)CH2CH2，它們的pIC50值分別為6.150和5.180也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。但是，當(dāng)R1取代基上連有較大體積的支鏈取代基時(shí)，此時(shí)體積大的支鏈部分主要靠近綠色區(qū)域，所以增加支鏈的體積可以提高化合物的活性。例如化合物30和34，由于化合物34的苯環(huán)上連有-OCH3,所以化合物活性30<34。R2主要位于綠色區(qū)域，因此增加R2的體積可以提高化合物的活性。例如化合物19與20以及化合物26與27，由于CH3的體積大于H原子，所以它們的活性：19>20,26>27。

圖4 CoMFA模型的立體場(chǎng)等值線

在靜電場(chǎng)中，藍(lán)色區(qū)域表示此區(qū)域范圍內(nèi)引入正電性基團(tuán)會(huì)增加化合物的活性，紅色區(qū)域表示此區(qū)域范圍內(nèi)引入負(fù)電性基團(tuán)會(huì)增加化合物的活性。如圖5所示，R1無(wú)論是體積較小的取代基還是連有較大體積支鏈的取代基，均位于紅色區(qū)域附近，因此增加R1的電負(fù)性可以增加化合物的活性。例如化合物7和15，它們的R1分別為CH2CH2CH2和CH2NHCH2，所以化合物7的活性大于化合物15。比較化合物32、35和38的活性也可以驗(yàn)證這一點(diǎn)，由于吸電子的能力：Cl>H>OCH3，因此它們的活性大小為32>35>38。R2基團(tuán)主要位于藍(lán)色區(qū)域附近，因此增加正電性基團(tuán)可以提高化合物的活性。比較化合物3和9的活性，由于供電子的能力CH2CH(CH3)OH

圖5 CoMFA模型的靜電場(chǎng)等值線

圖6 CoMSIA模型的疏水場(chǎng)等值線

4 結(jié)論

以CoMFA和CoMSIA方法為基礎(chǔ), 結(jié)合docking、Open3DALIGN進(jìn)行綜合分析，成功地建立了DXR抑制劑的3D-QSAR模型。不僅直觀的解釋了這些化合物的結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系，為改進(jìn)這些化合物的結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)方向，而且利用建立的模型還可以對(duì)可能具有潛在抑制活性的化合物進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)一些新的高活性的大腸桿菌DXR抑制劑.

[1]Barry C E, Crick D C, McNeil M R. Targeting the formation of the cell wall core of M. tuberculosis [J]. Infect Disord Drug Targets, 2007, 7(2): 182～202.

[2] Hale I, O’Neill P, Berry N, et al. The MEP pathway and the development of inhibitors as potential anti-infective Agents [J]. Med Chem Commun, 2012,(3): 418～433.

[3]Campos N, Rodriguez-Concepcion M, Sauret-Gueto S, et al. Escherichia coli engineered to synthesize isopentenyl diphosphate and dimethyallyl disphosphate from mevalonate: a novel system for the genetic analysis of the 2-C-methyl-d-erythritol 4-phosphate pathway for isoprenoid biosynthesis [J]. Biochem J, 2001(353):59～67.

[4]Eoh H, Brennan P J, Crick D C. The Mycobacterium tuberculosis MEP (2C-methyl-d-erythritol 4-phosphate) pathway as a new drug target [J]. Tuberculosis (Edinb), 2009, 89(1): 1～11.

[5]施文鈞, 王洪海. MEP途徑： 一個(gè)潛在的分子藥靶 [J]. 中國(guó)抗生素雜志, 2008, 33(2): 65～68.

[6]Jomaa H, Wiesner J, Sanderbrand S, et al. Inhibitors of the nonmevalonate pathway of isoprenoid biosynthesis as antimalarial drugs [J]. Science, 1999, 285(5433):1573～1576.

[7]Yajima S, Hara K, Sanders JM, et al. Crystallographic structures of two bisphosphonate: 1-deoxyxylulose-5-phosphate reductoisomerase complexes [J]. J Am Chem Soc, 2004, 126(35): 10824～10825.

[8]Okuhara M, Kuroda Y, Goto T, et al. Studies on new phosphonic acid antibiotics. III. Isolation and characterization of FR-31564, FR-32863 and FR-33289 [J]. J Antibiot， 1980, 33(1): 24～28.

[9]陳習(xí)平, 謝麗萍, 胡又佳. 1-脫氧-D-木酮糖醇-5-磷酸還原異構(gòu)酶(DXR)作為新的藥物靶點(diǎn)的研究進(jìn)展 [J]. 世界臨床藥物, 2014, 35(5):319～320.

[10]Silber K, Heidler P, Kurz T, et al. AFMoC enhances predictivity of 3D QSAR: a case study with DOXP - reductoisomerase [J]. J Med Chem, 2005, 48(10): 3547～3563.

[11]Haemers T,Wiesner J,Van Poecke S, et al. Synthesis of alpha-substituted fosmidomycin analogues as highly potent Plasmodium falciparum growth inhibitors [J]. Bioorg Med Chem Lett, 2006, 16(7): 1888～91.

[12]Deng L, Endo K, Kato M, et al. Structures of 1-Deoxy-D-Xylulose-5-Phosphate Reductoisomerase/Lipophilic Phosphonate Complexes [J]. Med. Chem. Lett., 2011, 2 (2): 165～170.

The 3D-QSAR Study on the E.coli DXR Inhibitors by CoMFA and CoMSIA Methods

Xiao Yu, Li Tianen, Qin Chuxin, Dai Kang

(CollegeofPharmacy,South-CentralUniversityforNationalities,Wuhan,Hubei430074,China)

This paper pointed out that 1-deoxy-d-xylulose-5-phosphate reductoisomerase(DXR) is the rate-limiting enzyme in the synthesis of 2-methyl-D-erythritol-4-phosphate(MEP)which is essential for the formation of bacterial cell walls. This enzyme has been widely investigated and considered to be one of the most promising targets for screening novel antibiotics. In this paper, the CoMFA and CoMSIA methods were used to analyze the three-dimensional quantitative structure-activity relationship(3D-QSAR) for the inbititory activity against E.coli DXR. The results showed that the cross-validated correlated coefficient q2 was 0.671 and the conventional correlated coefficient R2 was 0.950 in the CoMFA model and the q2 was 0.559 and the R2 was 0.973 in the CoMSIA model, which illustrated that the predictability of the built models were reliable, and they could provide useful insights for designing novel and potent DXR inhibitors.

E.coli；DXR inhibitors；CoMFA；CoMSIA；3D-QSAR model

2016-07-30

省部科研基金(編號(hào)：BZY14027)

肖 玉(1990—)，男，中南民族大學(xué)藥學(xué)院碩士研究生。

戴 康(1972—)，男，副教授，主要從事藥物合成及分子設(shè)計(jì)方面的研究工作。

R284

A

1674-9944(2016)18-0171-05