吡喃酮类化合物的3D-QSAR及分子对接研究

吴鲁阳， 王天浩， 冯 怡， 张 星， 仝建波

(陕西科技大学 化学与化工学院 陕西省轻化工助剂重点实验室， 陕西 西安 710021)

0 引言

艾滋病，即获得性免疫缺陷综合症(Acquired Immune Deficiency Syndrome，AIDS)已经成为了当今时代仍未被攻克的医学难题之一[1].目前，在发展中国家，人类免疫缺陷病毒/获得性免疫缺陷综合症(HIV/AIDS)的流行对于公共卫生来说仍是一个巨大的挑战.根据联合国艾滋病规划署(UNAIDS)的报告，2017年全球有近3 690万人感染艾滋病病毒，94万人死于艾滋病，180万人新感染艾滋病病毒[2].我国卫生计生委发布的《2016年我国卫生和计划生育事业发展统计公报》指出，艾滋病依然占全国甲乙类传染病共报告死亡数的首位，占全部甲乙类传染病共报告死亡数的78.4%[3].

人类免疫缺陷病毒(Human Immunodeficiency Virus，HIV)是消灭艾滋病的主要障碍，如何有效地抑制该病毒是当前艾滋病的研究重点之一[4].人类免疫缺陷病毒可分为两种类型，即I型(HIV-1)和II型(HIV-2)[5-7]，这两种类型的病毒之间存在一定的联系，而绝大多数AIDS都是由I型(HIV-1)病毒所引起的[8,9].目前，HIV的药物主要有逆转录酶抑制剂、整合酶抑制剂、蛋白酶抑制剂和进入抑制剂4种[10].

吡喃酮类化合物作为一类新型抗艾滋药物，具有良好的生物利用度，同时具备生产成本低、分子量小、结构简单等优点，因此具有良好的研究应用前景.如果能够进一步研究结构、优化设计分子并提高其生物活性，则有望成为一类新型高效抗艾滋药物[11].

三维定量构效关系[12]是一种应用广泛的设计药物分子的方法，它可以有效地把分子结构与其理化性质、结构参数、生物活性等结合起来.三维定量构效关系中具代表性的方法有CoMFA(Coparative molecular field analysis)与CoMSIA(Coparative molecular similarity index analysis)[13].

本文采用第二代CoMFA方法，即易位体比较分子场(Topomer CoMFA)[14]对18个吡喃酮类化合物进行3D-QSAR研究，建立了Topomer CoMFA模型，并通过Topomer Search技术[15]在ZINC数据库中进行R基团的虚拟筛选，设计出高活性的新分子，并采用分子对接[16]研究了新设计的分子与蛋白活性位点间的结合方式，在理论上为实际合成该系列新药物提供了理论参考.

1 实验部分

1.1 数据来源与分子结构

本文所研究的18个吡喃酮类化合物来源于文献[11,17].所有选取的18个化合物的分子结构骨架见图1所示，其结构和生物活性值见表1所示.采取隔三选一的方法将整个数据集分为训练集与测试集两部分，其中13个化合物作为训练集建立3D-QSAR模型，其余5个化合物作为测试集检验模型的预测能力.所有化合物的生物活性用pIC50(-logIC50)表示，IC50为抑制剂的半抑制浓度.

图1 化合物的结构骨架

表1 化合物的结构和生物活性值

1.2 模型的建立

运用Powell能量梯度法，施加Tripos分子力场优化化合物分子[18]，通过加载Gastelger-Huckel电荷，设定0.05 kcal/mol为能量收敛梯度值，1 000为最大迭代次数，剩余参数为SYBYL2.0-X默认值，取得分子的最低能量构象[19].

以训练集pIC50值最高的12号分子作为模板，通过两种方式对吡喃酮类化合物进行切割，并对其周围的立体场和静电场进行计算，利用偏最小二乘回归法(PLSR)对化合物进行建模.

1.3 虚拟筛选

本研究采用Topomer Search[20]技术，通过ZINC数据库中，筛选得到高活性贡献值的R基团.其中，Topomer CoMFA距离值为185.0，剩余参数为SYBYL2.0-X默认值.

筛选结果由Topomer CoMFA距离和R基团的活性贡献值体现，从数据库中筛选测出的R基团贡献值[21].一般在分子相似程度范围内，R基团贡献值越大，表明基团越有价值.

1.4 分子对接

采取Surflex-dock[22]技术进行分子对接，由PDB数据库提供对接所用的蛋白酶晶体结构，PDB数据库 ID为：1EE0，对接方式为SFXC.通过Total-Score、Crash和Polar函数评价分子对接结果[23]：Total-Score为总打分函数，分值越高表明受体与配体的亲和能力越好；Crash为碰撞打分函数，绝对值越趋近于零表明受体与配体对接的不适当程度越小；Polar为极性函数，结合位点在分子表面时，分值越高越好；结合位点在分子内部时，分值越低越好.

2 结果与讨论

2.1 建模的结果评价

通过Topomer CoMFA模型构建及预测化合物活性，以活性值最高的12号分子为如表2所示对化合物采用两种切割方式.

其中R1基团为蓝色，R2基团为红色，公共骨架为绿色.从表2可得出，两个模型的主成分数N分别为2和3，F(Fisher验证值)分别为19.799和23.879，r2(非交叉相关系数)均大于0.6，q2(交互验证系数)均大于0.5，SEE(标准估计误差) 分别为0.253和0.199，结果表明两种切割方式下构建的3D-QSAR模型都具有良好的拟合与预测能力，但模型2还较好的保存有化合物公共骨架，有利于R基团同公共骨架的选择.基于以上因素，选择模型2进行分子设计及对接研究.

图2为模型2下的18个化合物实验和预测活性值的线性回归图.图中各点均匀分布于45 °线两侧，模型2的预测和拟合能力较强.

表2 Topomer CoMFA建模结果

2.2 Topomer CoMFA三维等势图分析

三维等势图(图3)是在12号分子为模板的基础上，按模型2构建形成的.R1的立体场等势图和静电场等势图分别为图3(a)、3(b)；R2立体场等势图和静电场等势图分别为图3(c)、(d).图3(a)、(c)绿色部分表示增大取代基的体积可提高化合物的活性，黄色部分表示减小取代基的体积可提高化合物的活性；图3(b)、(d)红色区域表明如引入带负电性取代基可提高化合物的活性，蓝色区域表明引入带正电性取代基可提高化合物的活性.

通过对图3(a)分析可知，R1取代基的位置上有大片绿色和小块黄色区域，表明绿色区域引入大基团取代基有利于活性的提高；表明黄色区域引入小基团的取代基有利于活性的提高.例如在黄色区域，化合物10(pIC50=-0.65)在R1取代基苯环的Z处用基团-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，活性有显著提高.

由图3(c)可以看出，在R2取代基的位置上有大片绿色区域，说明在此处引入体积大的取代基有利于活性的提高，以及部分少许黄色区域,说明在此处引入体积小的基团有利于活性的提高.例如在黄色区域，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，活性相对提高；在大片绿色区域，化合物 08、10、11和12(pIC50=-1.08，-0.65，-0.57，-0.15)在R2取代基苯环的位置上用-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，活性明显提高.

(a)R1立体场等势图 (b)R1静电场等势图

(c)R2立体场等势图 (d)R2静电场等势图图3 Topomer CoMFA三维等势图

2.3 分子设计

采用Topomer Search技术对R1和R2基团进行筛选，得到12个高活性的R2基团，同时选择12号分子的R1基团作为新分子的R1基团，共设计12个新的吡喃酮类化合物.通过Sketch Molecule绘制12个新化合物分子结构，并进行优化，化合物活性预测采用建立的Topomer CoMFA模型进行，新设计的12个化合物结构和预测活性值详见表3所示.

通过表3可知，01、02、03、04、05、06、12号共7个新设计的分子活性值高于模板分子.表明新设计的化合物理论上具有较好的抗艾滋病作用，可以作为抗艾滋药物的候选化合物.

2.4 分子对接

选择PDB数据库中与所研究的吡喃酮类化合物相关联的大分子蛋白1EE0作为对接构象，蛋白酶1EE0分类为转移酶(乙酰乙酰辅酶A络合的2-吡喃酮合酶).对1EE0进行预处理，提取出蛋白配体B/CAA700，通过创建形成活性口袋.如图4所示，表现出活性位点空间内配体小分子与大分子蛋白的相互作用.通过可行性验证分析，验证对接的准确性与可靠性.首先，导入提取的蛋白配体B/CAA700，对其加氢、优化；接着把配体作为分子直接对接到大分子蛋白1EE0上，对接结果如图5所示.得出配体B/CAA700构象(红色)与对接产生的1EE0对接构象(绿色)在空间内重叠程度良好，表明该方法准确可靠.

表3 设计化合物分子结构与活性预测值

续表3

图4 原型分子生成图(灰色区域为原型分子)

图5 晶体结构中配体构象与对接构象的对接模式

将活性值高于模板分子的7个新设计的分子与1EE0进行对接，共得到5个满足要求的对接模型.其中对接模型对应函数数值见表4所示.新设计分子01、03、04、05、06对接大分子蛋白活性位点的交互作用如图6所示.其中，绿色线状代表氨基酸残基，黄色虚线代表氢键.

表4 分子对接结果

由图6(a)看出，对于01号分子，对接构象中O原子与B/ARG312中的H原子形成氢键，距离为1.927 Å；对接构象中F原子与B/ARG274中的H原子形成氢键，距离为2.459 Å；对接构象中O原子与B/ARG274中的H原子形成氢键，距离为1.926 Å，其形成另一个氢键距离为1.979 Å.

从图6(b)可知，对于03号分子，对接构象中O原子与B/ARG63中的H原子形成氢键，距离为1.852 Å；对接构象中O原子与B/ARG274中的H原子形成另一个氢键，距离为2.501 Å.

由图6(c)看出，对于04号分子，对接构象中O原子与B/ARG274中的H原子形成氢键，距离为2.040 Å，其形成另一个氢键距离为2.741 Å；对接构象中O原子与B/LYS67中的H原子形成氢键，距离为1.971 Å.

从图6(d)可知，对于05号分子，对接构象中O原子与B/ARG274中的H原子形成氢键，距离为1.978 Å；对接构象中O原子与B/LYS60中的H原子形成氢键，距离为2.153 Å，其形成另一个氢键距离为2.552 Å.

由图6(e)看出，对于06号分子，对接构象中O原子与B/ARG312中的H原子形成氢键，距离为1.548 Å；对接构象中H原子与B/THR68中的O原子形成氢键，距离为2.185 Å；对接构象中O原子与B/LYS67中的H原子形成氢键，距离为2.633 Å.

(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别表示新设计分子01、03、04、05、06号分子与1EE0的氢键作用图图6 氢键相互作用图

综上结果表明，一般配体分子与B/ARG274残基有氢键作用，如01、03、04、05号分子；配体分子与B/ARG312残基有氢键作用，如01、06号分子；配体分子与B/LYS67残基有氢键作用，如04、06号分子.

为了进一步说明这几种氨基酸残基的重要性，选择原数据集中活性最高的12号分子与活性最低的06号分子分别进行对接研究，其结果如图7所示.表明对接标准均符合要求.氨基酸残基B/ARG312、B/ARG274均与两个分子形成氢键；对于12号分子，还有氨基酸残基B/THR68、B/ARG63、B/LYS60与分子作用生成氢键，对于06号分子，还有氨基酸残基B/LYS67与分子作用生成氢键.

(a)、(b)分别表示12、06号分子与1EE0的氢键作用图图7 氢键相互作用图

3 结论

本文通过Topomer CoMFA 模型的建立，对18个吡喃酮类化合物进行了3D-QSAR研究，得到了良好稳定性及预测值的3D-QSAR模型.

首先，通过立体场与静电场，分析了不同取代基结构对活性的影响；然后，采用虚拟筛选技术从ZINC数据库筛选得到高活性基团，共设计出12个具备较高活性的新分子，其中7个分子活性高于原数据集分子，1个分子与模板分子活性相等；最后，利用Surflex-dock模块分析了5个分子配体及大分子蛋白1EE0之间的相互作用模式.

对接结果表明：配体与B/ARG274、B/ARG312、B/LYS67等氨基酸残基可以形成强的氢键相互作用，为抗艾滋病药物的进一步设计与合成提供了理论参考.