HIV-1整合酶抑制劑的3D-QSAR研究

仝建波, 曹 旭

(陜西科技大學 化學與化工學院, 西安 710021)

1 引 言

獲得性免疫缺陷綜合癥(Acquired immune deficiency syndrome, AIDS), 即艾滋病病毒, 是造成人類免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus HIV)的一種致命疾病, HIV(分為HIV-1和HIV-2型)屬逆轉錄病毒的一種通過破壞人體的T淋巴細胞(CD4)、感染單核細胞和巨噬細胞, 然后經過吸附、融合過程進人宿主細胞, 進而阻斷細胞免疫和體液免疫過程, 可導致機體免疫功能部分或全部喪失, 繼而發生機會性感染腫瘤等[1]. HIV病毒密碼是由逆轉錄酶、蛋白酶和整合酶3種關鍵酶來表達[2], 近幾年來抗HIV/AIDS藥物的研制主要是針對抑制上述關鍵酶進行的, 研制這些酶的抑制劑成為治療艾滋病的一種有效手段[3].

香豆素衍生物可以作為一種抗艾滋病藥物, 對于病毒逆轉錄酶表現出較高的抑制活性, 如果通過結構優化使得活性提高, 則香豆素衍生物將會成為一種高效的抗艾滋病藥物(Qantitative structure activity relationship, QSAR[4])是基于配體的計算機輔助藥物設計的

主要方法之一, 具有代表性的方法有CoMFA[5]與CoMSIA[6]. 本實驗采用第二代CoMFA方法—Topomer CoMFA對26種二芳基苯胺衍生物進行了3D-QSAR的研究, 運用這些研究結果, 進行分子對接, 在理論上驗證所構建的模型具有較高的可信性, 為實驗工作者合成該系列新藥物提供理論參考.

2 實驗部分

2.1 易位體比較分子場

Topomer CoMFA是CoMFA與Topomer的聯合技術, 能夠在短時間內準確、快速構建3D-QSAR模型[7]. 采用Topomer技術將整個配體分子切割成兩個或兩個以上的小片段, 所切割形成的小片段會自動生成三維構象的碎片, 碎片根據一定的經驗規則進行調整, 生成Topomer模型. 計算每個分子片段周圍的立體場和靜電場參數, 作為自變量, 以IC的負對數(pIC50[8])為建模響應值, 其中IC50值為HIV-1病毒感染細胞半數抑制濃度, 用偏最小二乘回歸析方法[9], 尋找這些三維結分構的特征信息與化合物活性的聯系, 從而實現模型擬合.

2.2 數據來源與分子結構構建

從文獻[10]中搜集了具有確定活性的26個香豆素衍生物(見表1)作為研究對象, 其化學結構見圖1, 活性標度為pIC50(-logIC50). 從文獻中列舉的一系列化合物中隨機選擇20個化合物作為訓練集(Training set)用于建立模型, 剩余6個分子作為測試集(Test set)用來驗證模型的外部預測能力. 利用SYBYL2.0-X軟件包中的Sketch Molecule模塊繪制出化合物的結構, 以分子動力學程序Minimize對所有化合物進行能量優化, 得到其最低能量構象. 優化過程中采用Tripos力場[11]、Powell能量梯度和加載Gasteiger-Huckel電荷[12], 迭代系數設置為1000次, 能量收斂限定設為0.005 kcal/mol, 其余參數采用SYBYL2.0-X的默認值.

2.3 分子對接

采用SYBYL-X2.0中的Surflex-Dock[13]進行分子對接, 對接所使用的蛋白酶晶體結構來源于RSCB數據庫, 晶體結構的PDBID為：3L68, 對接模式為Surflex-Dock, 在對接前需對蛋白進行處理, 從復合物中提取配體, 刪除不需要的配體及所有水分子, 給蛋白加氫加電荷, 設定距離配體分子5 A范圍內的所有氨基酸殘基為活性口袋進行疊合, 然后將活性最高的19號化合物與蛋白晶體進行對接. 通常用Total-Score、Crash和Polar打分來評價對接結果[14]. Total-Score為總的打分函數, 表示受體與配體的親和能力, 打分越高越好. Crash絕對值越接近零, 表示配體與受體對接時的不適當程度越小. Polar為極性函數得分, 當結合位點位于分子表面時, 打分越高越好；當結合位點位于分子內部時, 打分越低越好[15].

圖1 化合物的基本骨架Fig. 1 Basic skeleton of the compound

No.RIC50PIC50PIC50pred143.44.36654.411121283.89274.130731773.75204.11914884.05504.30105504.30104.92086484.31874.309871004.00003.82978344.46853.95079294.53764.853810194.72125.045711144.85384.886續表112105.00005.1079135.55.25965.4317148.55.07054.8538158.05.09695.4317

3 結果與討論

3.1 Topomer CoMFA模型的統計結果及預測能力

通過Topomer CoMFA建立的3D-QSAR模型中, 模型的交叉驗證相關系數(q2)和非交叉驗證相關系數(r2)分別為0.666和0.973. 圖2為訓練集和測試集化合物的實驗值和預測值的關系圖, 從圖中可以看出所有樣本均勻地分布在45°直線附近, 證明所建模型具有好的可靠性及預測能力.

圖2 香豆素衍生物活性實驗值與預測值的關系圖Fig. 2 Relationship between experimental values and predicted values of coumarin derivatives

3.2 3D-QSAR分析

圖3為以19號分子為模板的Topomer CoMFA模型立體場和靜電場的三維等勢圖, 其中圖3A和C分別為Ra, Rb的立體場三維等勢圖, 圖3B和D分別為Ra, Rb的靜電場三維等勢圖, 圖3A和C中綠色區域表示引入大體積的基團有利于分子抑制活性, 而黃色區域代表引進小體積的基團有利于化合物抑制活性增加；圖3B和D中藍色區域表示引入帶正電荷的基團有利于分子抑制活性, 而紅色區域代表引進帶負電荷的基團有利于化合物抑制活性增加. 由圖3A立體場等勢圖中可觀察到在R1集團的切割點處有綠色區域, 圖3C立體場等勢圖中可觀察到在R2取代位點上也有綠色區域, 表明在這2個區域中, 將大分子基團引于此可以增加分子的活性. 如將10, 11, 12號分子的R基團分別以相應的基團取代了對應分子R基團上取代基, 其活性有明顯提高, 分別由10號分子的4.7212活性值到11號分子的活性值4.8538, 到12號分子的活性值5.0000. 17, 18, 19號分子的R基團分別以相應的基團取代了對應分子R基團上取代基, 其活性有明顯提高, 活性值分別由4.3344提高到了4.7644, 6.4317. 又如將24, 25, 26號分子的R基團分別以相應的基團取代了對應分子R基團上取代基, 其活性有明顯提高, 活性值也相應的由3.9172提高到了4.4433,3.5228. 圖3D靜電場等勢圖可知, 在臨近切割處環繞著一塊藍色等勢域, 表明若此區域有正電性基團作用, 可增加化合物活性. 如8號分子的R取代基取代了7號分子的R取代基, 生物活性由4.000提高至4.4685.

圖3 Topomer CoMFA立體靜電場三維等勢圖: (A)Ra立體等勢圖, (B)Ra靜電等勢圖, (C)Rb立體等勢圖, (D)Rb靜電等勢圖.Fig. 3 Contuor map of Topomer CoMFA steric and electrostatic fields: (A) steric contour map of Ra, (B) electrostatic contour map of Ra, (C) steric contour map of Rb, (D) electrostatic contour map of Rb.

3.3 分子對接

圖4為分子對接的結果, 棒狀表示配體, 線狀表示氨基酸殘基, 黃色虛線表示氫鍵給體[16]. 從圖4B可見, 19號分子配體與晶體結構中的主要氨基酸殘基共形成了3個氫鍵, 與A/HSI178、A/HIS181和A/HIS182形成氫鍵相互作用, 總打分函數(Total-Score)、配體對接進受體時的不適當程度(Crash)和極性打分函數(Polar)分別為4.8731、-2.6273和4.4605. 從圖C可見, 13號分子配體與晶體結構中的主要氨基酸殘基共形成了3個氫鍵, 與A/LYS106、A/SER25和A/ARG231形成氫鍵相互作用, 總打分函數(Total-Score)、配體對接進受體時的不適當程度(Crash)和極性打分函數(Polar)分別為13.3250、-1.6761和11.103. 從圖4D可見, 15號分子配體與晶體結構中的主要氨基酸殘基共形成了2個氫鍵, 與A/ARG326、A/SEP25形成氫鍵相互作用, 總打分函數(Total-Score)、配體對接進受體時的不適當程度(Crash)和極性打分函數(Polar)分別為7.0543、-2.4593和0.7880. 其中13號分子與3L68蛋白對接結果較好, 從而驗證了所建模型具有較好的可行性.

圖4 化合物與3L68蛋白酶的對接作用模式: (A)19號分子對接作用模式圖, (B)19號分子對接圖, (C)13號分子對接圖, (D)15號分子對接圖.Fig. 4 Dock of compound and 3L68: (A) molecular 19 docking mode diagram,(B) molecular 19 docking map,(C) molecular 13 docking map,(D) molecular 13 docking map

4 結 論

本文利用分子對接和Topomer CoMFA方法對26個香豆素衍生物進行了研究, 建立了3D-QSAR模型, 模型等勢面圖提供了立體場和靜電場的可視化圖像, 直觀地揭示了這一系列化合物中不同的取代基結構對其生物活性的影響, 并理論上通過分子對接進一步驗證了所構建模型的可信性, 從而為實驗工作者合成新藥提供了理論參考.