基于計算機輔助藥物設計研究白術揮發油的主要成分作用靶點及藥效預測

于啟蒙，張新超，孟慧琴，張 霖，朱德志，章 偉，王愛東

（黃山學院，黃山 2544041）

1 前言

白術（Rhizoma atractylodis macrocephalae）為菊科植物，根狀莖為拳頭大小且形似如意，表面有瘤狀突起和根須，干燥根莖為表面灰黃或灰棕色的不規則的肥厚團塊[1]。《神農本草經》中最先載錄白術：“術，味苦溫。主風寒濕痹，死肌，痙，痘，止汗，除熱，消食，作煎餌，久服，輕身延年，不饑。一名山薊。生山谷。”[2]。白術具有潛在的抗多種腫瘤、抗SARSCoV、抗炎殺菌、抗神經系統疾病，治療糖尿病、心血管疾病、免疫系統和消化系統疾病的藥效作用[3-6]。在2019年底爆發的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19，SARS-CoV-2）藥物治療方案中，官方共納入18種中藥方劑供新冠肺炎的預防和治療，其中白術多次被用到[7]。白術主要含有揮發油類成分，其中白術內酯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ[8]，蒼術酮、β-欖香烯、香橙烯和異香橙烯[9]是揮發油的主要成分，也是白術的主要活性成分。

本文使用DS 軟件中的反向找靶功能模塊尋找由白術內酯Ⅰ、白術內酯Ⅱ、白術內酯Ⅲ、蒼術酮、β-欖香烯、香橙烯和異香橙烯組成的配體分子庫的潛在作用靶點蛋白；然后利用DS 軟件中的分子對接功能模塊查看分子庫中7個分子與契合值（Fit value）≥0.9，且對應打分最高的靶點蛋白的非鍵相互作用情況，并預測各分子的藥效機理，為中藥白術的實驗研究、疾病治療和新藥研發提供科學的理論依據。

2 材料和方法

2.1 配體分子庫準備

利用軟件BIOVIA Draw 2016 構建白術揮發油的主要成分2D 平面結構：白術內酯Ⅰ（Butenolide Ⅰ）、白術內酯Ⅱ（Butenolide Ⅱ）、白術內酯Ⅲ（Butenolide Ⅲ）、蒼術 酮（Atractylone）、β- 欖香烯（β-Elemene）、 香橙 烯（Aromadendrene）和異香橙烯（Allo-aromadendrene），結構式如圖1為所示。將其保存為mol 文件，然后導入到DS 計算機輔助藥物設計軟件中呈現為3D 空間構象；最后進行分子結構優化，保存為dsv 文件。

2.2 反向找靶計算

用DS 打開優化后的分子庫文件，打開Ligand profiler 參數瀏覽器，設置參數：①輸入配體；②展開藥效團輸入欄，在是/否添加形狀束縛的搜索限制中選擇“All”，在是/否進行全庫搜索中選擇“All Models”；③展開高級設置組，設置Save Aligned Ligands 為True；④在是/否進行平行運算中選擇“True”；⑤其余保持默認，點擊“Run”運行。

圖1 白術揮發油的主要成分分子結構式

2.3 分子對接計算

2.3.1 靶點蛋白準備

根據表1 中的PDB ID 從Protein Data Bank（PDB）數據庫中下載蛋白質文件。利用DS 對蛋白質預處理，刪除蛋白質結構中的水分子、雜原子和自身結構解析時所攜帶的金屬離子或溶劑殘留分子；最后對蛋白質結構進行優化后保存為dsv文件。

表1 配體分子和靶點蛋白信息表

2.3.2 分子對接操作

本 文 采 用Discovery Studio 2016 軟 件CDOCKER 中 的Dock Ligands（Pharmacophore Restraints and CHARMm）進行對接運算。打開對接參數瀏覽器設置參數：①輸入受體蛋白；②輸入配體分子；③輸入藥效團；④在是/否進行平行運算中選擇“True”；⑤其余保持默認，點擊“Run”運行。

3 結果與討論

3.1 反向找靶結果

（1）反向找靶運行完成后，打開結果報道頁面，點擊Fits Organized by Molecule 鏈接，查看配體分子與靶標藥效團的契合值（Fit value），篩選出與靶標藥效團的Fit value ≥0.9的配體分子和各配體分子對應打分最高的靶點蛋白（見表1）。

（2）篩選出與配體分子的Fit value ≥0.8 的靶標藥效團，利用生物信息分析熱圖聚類分析軟件HemI 1.0做配體分子與對應的各靶標藥效團的Fit value 值的熱圖。橫坐標為各靶標藥效團模型，縱坐標為配體分子；圖中右側的標尺顏色為漸變色，從藍色至紅色逐漸過渡，表示Fit value 值從“0.800”逐級遞增。Fit value 值越大，表示小分子與靶標蛋白契合得越好，說明對應的蛋白是小分子潛在作用的靶點的可能性高。熱圖結果如圖2所示。

圖2 配體分子與靶標藥效團契合值（Fit value）的熱圖

3.2 分子對接結果和藥效預測

分子對接計算運行完成后，通過DS 的Receptor-Ligand Interactions 模塊查看配體分子與受體殘基的非鍵相互作用情況，結合National Center for Biotechnology Information（NCBI）數據庫對靶點蛋白的信息介紹預測配體分子進行藥效。

（1）2OXX 是 蛋 白 激 酶—酪 蛋 白 激 酶2 或II（casein kinase，CK2）。CK2是高度多效性的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在特定情況下能夠促進細胞存活并增強腫瘤表型[10]。CK2調控許多細胞功能，目前它是研究癌癥的目標。圖3～圖4分別為白術內酯Ⅰ和白術內酯Ⅱ與2OXX 相互作用圖。

圖3 白術內酯Ⅰ與2OXX相互作用圖（上左3D前，上右3D后，下2D）

圖4 白術內酯Ⅱ與2OXX相互作用圖（上左3D前，上右3D后，下2D）

白術內酯Ⅰ與2OXX 通過氫鍵、烴基和π-烷基鍵相互作用；白術內酯Ⅱ與2OXX 通過π-硫鍵、烴基和π-烷基鍵相互作用；預測白術內酯Ⅰ和白術內酯Ⅱ分子與CK2結合相互作用，能夠抑制其活性，具有潛在的抗癌藥效作用。

（2）3LBJ 是MDMX 蛋白（murine double minute X，又稱為MDM4）。MdmX 過表達通過抑制腫瘤抑制因子p53促進癌癥的發展，抑制因子p53在細胞周期阻滯、DNA 損傷修復及細胞凋亡等生物過程發揮重要作用，并成為腫瘤治療靶點[11]。圖5為白術內酯Ⅲ與3LBJ 相互作用圖。

圖5 白術內酯Ⅲ與3LBJ相互作用圖（左3D，右2D）

白術內酯Ⅲ與3LBJ通過氫鍵、烴基和π-烷基鍵相互作用；預測白術內酯Ⅲ分子可成為MDMX 蛋白的抑制劑，為治療惡性腫瘤帶來新方向。

（3）3A51是維生素D3羥化酶（Vitamin D3hydroxylase，Vdh）。Vdh 是一種細胞色素P450（cytochrome P450，CYP450）酶，能催化維生素D3（VD3）特定位點羥基化反應，產生活性衍生物[12]。VD3調節靶細胞的增值、分化或功能，與腫瘤發生、免疫調節、抗炎效應等相關[13]。圖6為蒼術酮與3A51相互作用圖。

圖6 蒼術酮與3A51相互作用圖（左3D，右2D）

蒼術酮與3A51通過烴基和π-烷基鍵相互作用；預測蒼術酮分子可增強維生素D3羥化酶活性，有潛在的抗腫瘤、抗炎和免疫調節藥效。

（4）1P5E 是細胞周期蛋白A（Cyclin A）和細胞周期蛋白依賴性蛋白激酶2（cyclin-dependent protein kinase2，CDK2）的復合物（Cyclin A-CDK2）。Cyclin A-CDK2活性異常上調是腫瘤細胞重要的生物學特征，在一些癌細胞中，頻繁檢測到極度活躍的Cyclin A-CDK2活性，Cyclin A-CDK2已經成為治療癌癥的重要靶標[14]。圖7為β-欖香烯與1P5E 相互作用圖。

圖7 β-欖香烯與1P5E相互作用圖（左3D，右2D）

β-欖香烯與1P5E通過烴基和π-烷基鍵相互作用；預測β-欖香烯分子可以作用于活性異常的Cyclin A-CDK2，成為研究抗癌的新藥物。

（5）2WU7 是雙特異性蛋白激酶（dual specificity protein kinase，DSK）家族的CDC 樣激酶3（cell division cycle like kinase 3，CLK3），CLK 激酶是蛋白質剪接的關鍵調節因子，通過磷酸化剪接因子上的富含絲氨酸和精氨酸（SR）的結構域，調節蛋白質的剪接[15]。DSK 可能與細胞癌變、細胞周期調控和細胞生長等有關[16]。圖8為香橙烯與2WU7相互作用圖。

圖8 香橙烯與2WU7相互作用圖（上左3D前，上右3D后，下2D）

香橙烯與2WU7通過烴基和π-烷基鍵相互作用；預測異香橙烯分子與CLK3相互作用，可開發為靶向蛋白剪接的抑制劑，調控細胞生長并有可能具有潛在的抗癌藥理作用。

（6）3KXN 是酪蛋白激酶2α 亞基（casein kinase 2α，Ck2α）。蛋白激酶Ck2α 是絲氨酸/蘇氨酸激酶CK2催化亞基的一種亞型，研究發現，CK2α 基因可能是原癌基因，在細胞中過度表達可引起癌變，并且CK2α 在增殖和腫瘤細胞中活性較正常細胞明顯升高，能參與包括肝細胞癌（HCC）在內的各種惡性腫瘤的發生[17]。圖9為異香橙烯與3KXN 相互作用圖。

圖9 異香橙烯與3KXN相互作用圖（左3D，右2D）

異香橙烯與3KXN 通過烴基相互作用；預測異香橙烯可抑制CK2α 激酶活性，阻止肝細胞癌等惡性腫瘤的發生。

4 結論

本文通過反向找靶技術，在含有藥效團模型的靶標庫中搜尋，得到白術揮發油的主要成分契合度fitvalue 值大于0.9的靶標蛋白，然后利用分子對接查看配體-受體間的非鍵相互作用，最后查閱靶點蛋白的生理功能，預測白術主要成分藥效。結果表明白術內酯Ⅰ、白術內酯Ⅱ、白術內酯Ⅲ、蒼術酮、β-欖香烯、香橙烯和異香橙烯分子7種成分均與抗癌或抗腫瘤靶標蛋白有相互作用，其中蒼術酮還與兼有抗炎和免疫調節靶標蛋白有相互作用。其中白術內酯Ⅰ和白術內酯Ⅱ作用于酪蛋白激酶2，白術內酯Ⅲ作用于MDMX 蛋白，蒼術酮作用于維生素D3羥化酶，β-欖香烯作用于細胞周期蛋白A 和細胞周期蛋白依賴性蛋白激酶2的復合物，香橙烯作用于CDC樣激酶3，異香橙烯作用于酪蛋白激酶2α亞基。綜上，白術揮發油的主要成分主要具有抗腫瘤、免疫調節和抗炎的藥效，為白術在治療疾病方面的研究提供了理論依據。

致謝：感謝全國大學生創新創業訓練計劃項目資助（中壓制備色譜快速制備莪術有效成分研究，項目編號：201810375043；黃山地道中藥祁術主要成分作用靶點及作用機理，項目編號：201810375113）。感謝黃山學院校級科研平臺藥物設計重點實驗室（kypt201810）。