基于TopomerCoMFA方法的姜黃素類(lèi)化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究

劉永香，施海楓

（廣西師范學(xué)院，廣西 南寧 530001）

基于TopomerCoMFA方法的姜黃素類(lèi)化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究

劉永香，施海楓

（廣西師范學(xué)院，廣西 南寧 530001）

易位體比較分子場(chǎng)（TopomerCoMFA）是一種快速、基于片段分析、可以用于預(yù)測(cè)官能團(tuán)、優(yōu)化生物活性或結(jié)構(gòu)的3D-QSAR方法。采用TopomerCoMFA對(duì)20個(gè)姜黃素及其類(lèi)似物進(jìn)行三維定量構(gòu)效關(guān)系研究，建立有效的TopomerCoMFA模型，其交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)q2=0.593，非交叉相關(guān)系數(shù)r2=0.995，表明該模型合理、可信，并具有良好的預(yù)測(cè)能力。

易位體比較分子場(chǎng)（TopomerCoMFA）；姜黃素類(lèi)似物；抗腫瘤活性；定量構(gòu)效關(guān)系

姜黃素(curcumin)是一種天然酚類(lèi)色素，廣泛存在于姜科姜黃屬植物姜黃、莪術(shù)、郁金等的根莖中。姜黃素具有抗炎、抗腫瘤、抗突變、抗氧化、保肝、保護(hù)DNA免受過(guò)氧化損傷等[1-5]廣泛的藥理作用, 且毒性很低, 越來(lái)越受到醫(yī)藥工作者的重視。美國(guó)國(guó)立腫瘤所已將其列為第3代癌化學(xué)預(yù)防藥物。本實(shí)驗(yàn)利用Tripos公司Sybyl2.0-X軟件包中的TopomerCoMFA方法對(duì)20個(gè)姜黃素類(lèi)化合物進(jìn)行了三維定量構(gòu)效關(guān)系研究,獲得該類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)與活性之間的構(gòu)效關(guān)系,為設(shè)計(jì)合成新型姜黃素類(lèi)抗癌藥物提供幫助。

1 研究方法

1.1易位體比較分子場(chǎng)

易位體比較分子場(chǎng)（TopomerCoMFA）是一個(gè)能夠自動(dòng)生成3D-QSAR模型并且可以預(yù)測(cè)化合物生物活性或性質(zhì)的工具。TopomerCoMFA是由Cramer等人[6]基于二維片段分析開(kāi)發(fā)的新型3D-QSAR工具。Topomer被描述成一個(gè)分子片段，把整個(gè)配體分子看作是可分割的若干片段的集合。Topomer-CoMFA結(jié)合了3D-QSAR構(gòu)建技術(shù)和基于配體的虛擬篩選技術(shù)，熟練操作后可在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建3DQSAR模型，具有便捷、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。所建立的模型可以支持基于配體的虛擬篩選以及對(duì)配體分子的官能團(tuán)（R-group）進(jìn)行優(yōu)化。不同于CoMFA和CoMSIA，TopomerCoMFA是通過(guò)一系列完全客觀一致的疊合規(guī)則完成3D-QSAR分析的準(zhǔn)備工作。此外，TopomerCoMFA與CoMFA相比，還具有重復(fù)性高的優(yōu)勢(shì)。利用TopomerCoMFA可快速建立預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，為同類(lèi)小分子抑制劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1.2化合物小分子的搭建

利用SYBYL2.0-X的分子繪圖功能繪制出化合物所包含的小分子結(jié)構(gòu)。此時(shí)構(gòu)建的分子是二維平面結(jié)構(gòu)。為了得到三維分子結(jié)構(gòu)，需要將構(gòu)建好的分子進(jìn)行能量最小化。加載Gasteiger-Huckel電荷，然后使用標(biāo)準(zhǔn)的Tripos力場(chǎng)和powell能量梯度算法，迭代1000次，能量收斂限定設(shè)為0.01kJ·mol-1，能量最小化后即得到化合物分子的最低能量構(gòu)象。

1.3化合物分子斷裂方式

TopomerCoMFA建立模型過(guò)程中，斷裂方式的選擇會(huì)大大影響模型的質(zhì)量。在本實(shí)驗(yàn)中，選擇的是將每個(gè)化合物斷裂為兩部分的斷裂方式，即每個(gè)分子選擇一個(gè)斷裂位點(diǎn)，如圖1。

圖1 斷裂結(jié)構(gòu)及相應(yīng)位置Fig.1 The structure indicating the fractural position

1.4TopmerCoMFA模型的建立

TopomerCoMFA不同于CoMFA和CoMSIA方法，它不是采用基于骨架或場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu)疊合，而是在來(lái)源化合物庫(kù)的基礎(chǔ)上根據(jù)生物活性數(shù)據(jù)與化合物結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成預(yù)測(cè)模型[7]。TopomerCoMFA的標(biāo)準(zhǔn)流程可分為兩個(gè)步驟。第一步是生成訓(xùn)練集分子結(jié)構(gòu)片段的Topomer的三維模型。對(duì)每一個(gè)化合物來(lái)說(shuō)，TopomerCoMFA可將其分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的片段。確認(rèn)化合物結(jié)構(gòu)的斷裂方式后，Topomer-CoMFA可以自動(dòng)識(shí)別結(jié)構(gòu)片段的化學(xué)結(jié)構(gòu)和電荷排布。第二個(gè)步驟是采用偏最小二乘法分析（PLS）[8]，首先通過(guò)抽一法（Leave-One-Out）進(jìn)行交叉驗(yàn)證的CoMFA分析，形成一個(gè)預(yù)測(cè)模型。在生成模型的過(guò)程中，CoMFA方法可處理大量數(shù)據(jù)客觀分析和自動(dòng)匹配相應(yīng)的化合物結(jié)構(gòu)，以使TopomerCoMFA形成的預(yù)測(cè)模型更有效。根據(jù)交叉驗(yàn)證得到的最佳主成分?jǐn)?shù)，進(jìn)行非交叉驗(yàn)證回歸，建立回歸模型的表達(dá)式。同時(shí)，得到非交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)r2，預(yù)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差SEE（standard error of estimate），以及顯著性檢驗(yàn)F。交叉驗(yàn)證系數(shù)q2越大，相關(guān)系數(shù)r2越大，SEE越小，表示相關(guān)性越好，方程的預(yù)測(cè)能力越強(qiáng)。而F主要用于判斷樣本間是否有顯著差別，其值越大，說(shuō)明差別越顯著。對(duì)于TopomerCoMFA模型，q2、r2越大越好，而q2的標(biāo)準(zhǔn)誤差（q2stderr）和r2的標(biāo)準(zhǔn)誤差（r2stderr）越小證明模型質(zhì)量越高。

表1 化合物的結(jié)構(gòu)和生物活性數(shù)據(jù)[9]Table l Thestrueture and biological activity data of the compound

2 結(jié)果與討論

2.1TopmerCoMFA模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及預(yù)測(cè)能力

TopomerCoMFA模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)為交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)q2=0.593，最佳主成分值為5，q2大于0.5，說(shuō)明通過(guò)交叉驗(yàn)證所得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠反映模型有可信的預(yù)測(cè)能力。非交叉驗(yàn)證PLS分析產(chǎn)生的r2=0.995，很接近于1，同時(shí)預(yù)測(cè)值的SEE為0.039，q2stderr=0.35，r2stderr=0.04，證明所建立的模型具有很高可靠性；F檢驗(yàn)值為537.099大于F表值，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣本之間活性數(shù)據(jù)存在顯著差異，表明TopomerCoMFA方法所得到的模型有很好的相關(guān)性和預(yù)測(cè)能力。最后用獲得的模型對(duì)原20個(gè)化合物進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，用實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行線性分析，結(jié)果見(jiàn)圖2，實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值所對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)均勻地分布在直線附近，相關(guān)系數(shù)0.99719，這進(jìn)一步證明了所做模型具有可靠的預(yù)測(cè)能力。

圖2 TopomerCoMFA模型的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值散點(diǎn)圖Fig.2 Plots of experimental and predicted activities based on the Topomer CoMFA model

2.2TopomerCoMFA等勢(shì)圖分析

圖3顯示了化合物19的分子片段的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)的等勢(shì)圖。作為一種定量構(gòu)效關(guān)系方法，TopomerCoMFA可以產(chǎn)生類(lèi)似CoMFA等勢(shì)圖。圖3（a）為立體場(chǎng)等勢(shì)圖，在綠色模塊處引進(jìn)大分子基團(tuán)有利于分子活性的增加，而在黃色模塊引進(jìn)大分子基團(tuán)不利于分子活性的增加；圖3（b）為靜電場(chǎng)等勢(shì)圖，藍(lán)色多面體表示引入帶正電荷的基團(tuán)有利于小分子抑制活性，而紅色的多面體代表引進(jìn)帶負(fù)電荷的基團(tuán)有利于化合物抑制活性增加。由圖3（a）可以看到一個(gè)大型的綠色輪廓包裹了苯環(huán)的R3取代基，在R1、R5取代位點(diǎn)也各有小塊的綠色區(qū)域，表明在這3個(gè)區(qū)域中，可以通過(guò)引進(jìn)大分子基團(tuán)以增加分子的活性。而黃色的多角體覆蓋的區(qū)域則表明，苯環(huán)上的R2、R4位點(diǎn)不利于大分子基團(tuán)的引入。中間碳鏈處亦出現(xiàn)小塊黃色區(qū)域，說(shuō)明了中間碳鏈不宜過(guò)長(zhǎng)。觀察化合物19（pIC50=6.30）的結(jié)構(gòu)，該化合物的R1、R3、R5都被甲氧基取代，而R2、R4上沒(méi)有取代基，這可以解釋為什么化合物19具有較高的活性。圖3（b）是化合物19 的靜電場(chǎng)等勢(shì)圖，在R1、R5位點(diǎn)都出現(xiàn)了大塊的紅色模塊，R3位點(diǎn)在甲氧基的O附近也有小塊紅色區(qū)域出現(xiàn)，說(shuō)明這3處甲氧基的引入都是有利于增加化合物抑制活性的。藍(lán)色區(qū)域出現(xiàn)在R3取代基甲氧基的末端甲基上，說(shuō)明在該甲基上取代1個(gè)帶正電的基團(tuán)，或者把該甲基換成帶正電的基團(tuán)將有利于化合物活性的增加。在分子斷鍵的羰基處亦出現(xiàn)了藍(lán)色模塊，說(shuō)明在該處引入正電基團(tuán)會(huì)增加化合物的活性，化合物9的活性大于化合物1（姜黃素）也證明了這一點(diǎn)。從圖3中，我們可以直接觀察到TopomerCoMFA模型的立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)顯示的小分子的基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和缺陷，這將對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)高活性的姜黃素類(lèi)似物提供幫助。

圖3 TopomerCoMFA模型對(duì)于分子19的等勢(shì)圖Fig.3 Contour map of TopomerCoMFA model generated by alignment of compound 19

3 結(jié)論

本文利用TopomerCoMFA對(duì)20個(gè)姜黃素類(lèi)化合進(jìn)行了比較系統(tǒng)的三維構(gòu)效關(guān)系分析，在最佳主成分?jǐn)?shù)為5時(shí)構(gòu)建了可靠的預(yù)測(cè)模型，交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)q2=0.593，以及非交叉相關(guān)系數(shù)r2=0.995。模型等勢(shì)面圖提供了立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)的可視化圖像，直觀地揭示了這一系列抑制劑中不同的取代基結(jié)構(gòu)對(duì)其生物活性的影響。在苯環(huán)1，3，5位點(diǎn)引入帶電負(fù)性的基團(tuán)，在3位點(diǎn)電負(fù)性基團(tuán)末端增加一正電性基團(tuán)，在碳鏈中引入正電性基團(tuán)將有利于化合物抑制活性的增加。

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Study on Three-dimensional Quantitative Structure-Activity Relationship of Curcuminoids based on TopomerCoMFA Method

LIU Yong-xiang, SHI Hai-feng
(Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

Three-dimensional quantitative structure-activity relationship of 20 curcuminoids and their analogue were studied by TopomerCoMFA. Efficient TopomerCoMFA model were established. The coefficient q2of cross validation was 0.593, and the coeffcient r2of non-cross validation was 0.995. It was showed that this model was reasonable and credible, and had good predictive ability

TopomerCoMFA; curcuminoids; antitumor activity; quantitative structure-activity relationship

TQ 463

A

1671-9905(2014)02-0036-03

2013-12-06