聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)BACE1抑制劑的3D-QSAR分析與分子對(duì)接研究Δ

劉景陶，倪敬軒，王曉，畢毅（1.河套學(xué)院理學(xué)系，內(nèi)蒙古巴彥淖爾015000；.煙臺(tái)大學(xué)藥學(xué)院，山東煙臺(tái) 64005）

阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD），是一種常見(jiàn)的慢性神經(jīng)退行性疾病，主要特征為記憶喪失和認(rèn)知衰退[1]。截至2013年，全球各地超過(guò)4400萬(wàn)人患有AD，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)約為每年604億美元，且預(yù)計(jì)在未來(lái)幾十年，AD患者的數(shù)量還將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)[2]。目前雖已有多種AD治療藥物進(jìn)入臨床，但仍未能獲得理想效果，因此亟需開(kāi)發(fā)能有效治療AD的新藥。

AD的主要病理特征之一是由細(xì)胞外β-淀粉樣多肽（Aβ）的過(guò)度聚集而產(chǎn)生的老年斑（SPs），而Aβ能通過(guò)對(duì)腦神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生毒性而引起腦功能障礙[3]。研究表明，Aβ的過(guò)度聚集與纏結(jié)是導(dǎo)致AD的主要因素[4]，因此降低大腦中Aβ的水平是治療AD的重要研究方向。β-淀粉樣前體蛋白水解酶1（又稱(chēng)β-分泌酶1，BACE1），是水解淀粉樣前體蛋白生成Aβ的關(guān)鍵限速酶[5]，因此減少BACE1的分泌或降低BACE1的表達(dá)已成為AD藥物治療的重要策略之一。目前已有多種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的小分子BACE1抑制劑處于研究中，如氨基乙內(nèi)酰脲類(lèi)[6]、氨基噁唑啉類(lèi)[7]、亞氨基嘧啶酮類(lèi)[8]和氨基噻嗪類(lèi)[9]等。2009年，美國(guó)禮來(lái)公司報(bào)道了一種聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)BACE1抑制劑——化合物A（LY2811376），該化合物對(duì)BACE1表現(xiàn)出適度的抑制活性[半數(shù)抑制濃度（IC50）＝0.27 μmol/L]，口服給藥后能夠持續(xù)降低健康志愿者腦部的Aβ水平[9]。2016年，Wu YJ等[10]在化合物A的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出化合物B，后者對(duì)BACE1的抑制活性更強(qiáng)（IC50＝0.7 nmol/L）。化合物A、B的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由于聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)BACE1抑制劑表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制活性，加之其具有分子骨架較小、代謝穩(wěn)定性強(qiáng)等特征[11]，故該類(lèi)化合物的衍生物成為BACE1抑制劑的主要研究對(duì)象之一。

圖1 化合物A、B的結(jié)構(gòu)Fig 1 Structures of compoundAand B

定量構(gòu)效關(guān)系（Quantitative structure-activity relationship，QSAR）法是通過(guò)分析化合物結(jié)構(gòu)特征與其活性之間的相關(guān)性，以預(yù)測(cè)新化合物活性的方法[12]。三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR）是引入了分子三維結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行QSAR研究的方法，能間接反映化合物與大分子相互作用過(guò)程中的非鍵相互作用特征，有助于節(jié)省科研資源、加快新化合物和新藥物的開(kāi)發(fā)進(jìn)程[13]。比較分子場(chǎng)分析法（CoMFA）[14]和比較分子相似性指數(shù)分析法（CoMSIA）[15]是3D-QSAR法中的常用方法，其中CoMFA用于分析化合物的結(jié)構(gòu)特性如立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)與其活性之間的相關(guān)性[16]，而CoMSIA用于分析化合物的疏水性、氫鍵供體/受體以及空間/靜電特性與其活性之間的相關(guān)性[17]。

為獲得具有高效BACE1抑制活性的新型聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)衍生化合物，筆者運(yùn)用SYBYL-X 2.0軟件包，采用CoMFA與CoMSIA方法對(duì)41個(gè)聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)衍生化合物進(jìn)行3D-QSAR分析，獲得該類(lèi)化合物的3DQSAR模型，并運(yùn)用Surflex-dock分子對(duì)接方法分析該類(lèi)化合物與BACE1的結(jié)合模式，為新型高效BACE1抑制劑的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 軟件

采用Tripos公司SYBYL-X 2.0軟件包進(jìn)行研究：采用“Minimize”功能模塊選擇力場(chǎng)、優(yōu)化方法對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到合理的構(gòu)象；采用“CoMFA”與“CoMSIA”功能模塊建立3D-QSAR模型，然后以所建模型預(yù)測(cè)化合物的活性；采用“Surflex-dock”功能模塊進(jìn)行配體小分子與受體大分子的對(duì)接，探索兩者間作用模式。

1.2 化合物及其活性數(shù)據(jù)

本研究選取的41個(gè)聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)衍生化合物中，化合物1～19來(lái)自于文獻(xiàn)[10]，化合物20～31來(lái)自于文獻(xiàn)[18]，化合物32～37來(lái)自于文獻(xiàn)[19]，化合物38～41來(lái)自于文獻(xiàn)[20]。在建模過(guò)程中，根據(jù)活性梯度與取代基類(lèi)型選取其中35個(gè)化合物（約占85%）作為訓(xùn)練集用于建立3D-QSAR模型，其余6個(gè)化合物（約占15%）作為測(cè)試集用于檢測(cè)模型的預(yù)測(cè)能力。41個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，活性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1[注：本研究以IC50常用對(duì)數(shù)的負(fù)值（即-lgIC50，簡(jiǎn)稱(chēng)pIC50）作為活性數(shù)據(jù)[21]]。

圖2 41個(gè)BACE1抑制劑化合物的結(jié)構(gòu)Fig 2 Structures of 41 BACE1 inhibitor compounds

1.3 化合物分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用“Minimize”功能模塊對(duì)全部化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子力學(xué)能量?jī)?yōu)化。優(yōu)化過(guò)程選用Powell能量梯度法，Tripos力場(chǎng)，加載Gasteiger-Hückel電荷，最大迭代1 000次，能量收斂條件為能級(jí)差0.005 kcal/mol（1 kcal＝4.19 kJ），其他參數(shù)采用軟件默認(rèn)值。

1.4 3D-QSAR模型構(gòu)建及驗(yàn)證

筆者分別采用CoMFA和CoMSIA兩種方法建立3D-QSAR模型。首先使用一個(gè)以sp3雜化的C+作為探針，計(jì)算分子格點(diǎn)空間距離為2 ?（1 ?＝0.1 nm）的分子場(chǎng)，然后進(jìn)行回歸分析，運(yùn)用偏最小二乘法（PLS）以及留一法（LOO）進(jìn)行相互驗(yàn)證得到模型的主成分?jǐn)?shù)（n）和交叉驗(yàn)證系數(shù)（q2）[22-23]；之后采用非交叉驗(yàn)證方法得到相關(guān)系數(shù)（r2）與標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEE）；最后按文獻(xiàn)[24]標(biāo)準(zhǔn)獲得最優(yōu)模型并對(duì)測(cè)試集進(jìn)行化合物的活性預(yù)測(cè)。CoMFA和CoMSIA的建模方法相同，其中CoMFA采用立體場(chǎng)和靜電場(chǎng)描述，而CoMSIA采用立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、疏水性場(chǎng)、氫鍵供體場(chǎng)、氫鍵受體場(chǎng)描述[25-26]，均以三維等勢(shì)圖表示。

表1 41個(gè)BACE1抑制劑化合物活性測(cè)試結(jié)果Tab 1 Biological activity results of 41 BACE1 inhibitor compounds

1.5 分子對(duì)接

采用“Surflex-dock”功能模塊進(jìn)行聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)化合物與BACE1的分子對(duì)接。對(duì)接時(shí)所用的BACE1三維晶體復(fù)合物結(jié)構(gòu)來(lái)源于Protein Data Bank（PDB，http：//www.rcsb.org）數(shù)據(jù)庫(kù)中編號(hào)為5ENK的化合物。在蛋白質(zhì)修飾過(guò)程中，抽離出原配體5QV（即表1中的化合物2），將已抽離配體的蛋白質(zhì)進(jìn)行加氫、加載Gasteiger-Hückel電荷、修正錯(cuò)誤或不完整殘基等操作。以5QV的結(jié)構(gòu)作為參照，進(jìn)行聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)化合物與BACE1的對(duì)接，結(jié)合部位為5ENK中BACE1與5QV的結(jié)合部位，以評(píng)分值較高者作為較優(yōu)分子構(gòu)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 CoMFA與CoMSIA模型的驗(yàn)證結(jié)果

采用CoMFA方法得到的最佳CoMFA模型線性方程為y＝1.017 2x-0.046 1（x為實(shí)測(cè)活性值，y為預(yù)測(cè)活性值，下同），q2＝0.760，r2＝0.972，n＝3，SEE＝0.168 072；采用CoMSIA方法得到的最佳CoMSIA模型線性方程為y＝0.912x-0.206 8，q2＝0.704，r2＝0.981，n＝4，SEE＝0.140 596。通常q2＞0.5時(shí)，可認(rèn)為模型具有較好的預(yù)測(cè)能力[27]。結(jié)果表明，所得CoMFA模型與CoMSIA模型具有可靠的預(yù)測(cè)能力，可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)測(cè)試集化合物的活性。化合物活性預(yù)測(cè)值及其與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性見(jiàn)表1、圖3。

圖3 CoMFA模型和CoMSIA模型實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)性Fig 3 Correlation of experimental value and predicted value of CoMFAand CoMSIAmodel

2.2 3D-QSAR的CoMFA建模結(jié)果

以化合物4為例，其采用CoMFA法所建模型的三維等勢(shì)圖（立體場(chǎng)與靜電場(chǎng)）見(jiàn)圖4。圖4A為立體場(chǎng)的三維等勢(shì)圖，綠色表示增大基團(tuán)會(huì)增強(qiáng)化合物活性，黃色表示增大基團(tuán)會(huì)降低化合物活性；4位與6位的綠色等勢(shì)區(qū)域說(shuō)明在這兩處引入體積大的基團(tuán)有利于增強(qiáng)化合物活性。例如與化合物4比較，化合物2的4位苯環(huán)上有嘧啶環(huán)取代，故化合物2的活性更強(qiáng)；與化合物8比較，化合物5的6位有甲基異噁唑環(huán)取代，故化合物5的活性更強(qiáng)。圖4B為靜電場(chǎng)的三維等勢(shì)圖，藍(lán)色表示在該區(qū)域引入帶正電荷的取代基有利于增強(qiáng)化合物活性，紅色表示引入帶負(fù)電荷的取代基會(huì)增強(qiáng)化合物活性；4位苯環(huán)處與6位的紅色等勢(shì)區(qū)域說(shuō)明在這兩處引入負(fù)電性基團(tuán)可增加化合物的活性。例如與化合物20比較，化合物21的4位苯環(huán)處有氟原子取代，故化合物21的活性更強(qiáng)；與化合物17比較，化合物36的6位有羥基取代，故化合物36的活性更強(qiáng)。

2.3 3D-QSAR的CoMSIA建模結(jié)果

以化合物4為例，由于CoMSIA法所建模型的立體場(chǎng)與靜電場(chǎng)等勢(shì)圖與CoMFA模型基本一致，故略去，其氫鍵受體場(chǎng)、氫鍵供體場(chǎng)和疏水場(chǎng)的三維等勢(shì)圖見(jiàn)圖5。圖5A、B為氫鍵受體場(chǎng)與供體場(chǎng)的三維等勢(shì)圖，紫紅色表示增加氫鍵受體有利于增強(qiáng)化合物活性，紅色則與之相反；藍(lán)綠色代表增加氫鍵供體有利于增強(qiáng)化合物活性，紫色則與之相反；4位取代基處的紫紅色與藍(lán)綠色等勢(shì)區(qū)域說(shuō)明此處引入氫鍵受體或供體都可增加活性。例如與化合物4比較，化合物31的4位取代基既有氮原子又有氧原子，故化合物31的活性更強(qiáng)。6位取代基上方的藍(lán)綠色等勢(shì)區(qū)域表明此處引入氫鍵供體有利于增強(qiáng)化合物活性。例如與化合物6比較，化合物18的6位取代基上方有氮原子，故化合物18的活性更強(qiáng)。圖5C為疏水場(chǎng)等勢(shì)圖，黃色區(qū)域表示引入疏水性基團(tuán)（如苯環(huán)、甲基、乙基、甲氧基等）有利于增強(qiáng)化合物活性，灰色區(qū)域表示引入親水性基團(tuán)（如羥基、氟原子等）有利于增強(qiáng)化合物活性；4位引入親水性基團(tuán)可增強(qiáng)化合物活性。例如與化合物4比較，化合物37的4位取代基引入了氰基，故化合物37的活性更強(qiáng)。6位引入疏水性基團(tuán)可增強(qiáng)化合物的活性。例如與化合物17比較，化合物13的6位取代基引入了苯基，故化合物13的活性更強(qiáng)。

圖4 CoMFA模型的三維等勢(shì)圖Fig 4 Three dimensional contour plots of CoMFA model

圖5 CoMSIA模型的三維等勢(shì)圖Fig 5 Three dimensional contour plots of CoMSIA model

2.4 分子對(duì)接結(jié)果

分子對(duì)接評(píng)分最高者為化合物34，其與BACE1受體的對(duì)接模式見(jiàn)圖6A，與BACE1受體的疏水相互作用見(jiàn)圖6B。由圖6A可見(jiàn)，化合物34位于BACE1受體的活性口袋內(nèi)，并與口袋內(nèi)的分子產(chǎn)生相互作用：氨基噻嗪環(huán)中氨基上的一個(gè)氫原子與受體蛋白中氨基酸殘基ASP276上的兩個(gè)氧原子分別形成兩個(gè)氫鍵，氨基上的另一個(gè)氫原子與氨基酸殘基ASP80上的一個(gè)氧原子和ASP276上的一個(gè)氧原子分別形成兩個(gè)氫鍵，4位取代基中酰胺鍵上的氧原子和吡啶環(huán)上的氮原子與氨基酸殘基TYR246分別形成兩個(gè)氫鍵。圖6B中間的深色球棒代表化合物34，兩側(cè)的淺色球棒表示與配體分子發(fā)生氫鍵作用的氨基酸殘基，半月形虛線表示配體分子與氨基酸殘基的疏水相互作用。疏水相互作用是發(fā)生在疏水物的疏水基之間的一種重要的弱相互作用，分子間的非極性部分由于疏水性而相互靠攏，疏水作用越強(qiáng)，結(jié)合就越牢固。由圖6B可見(jiàn)，疏水氨基酸殘基ASP80、ASP276在氨基噻嗪母核附近有強(qiáng)的疏水相互作用，TYR246與4位取代基的酰胺吡啶環(huán)有疏水相互作用。

圖6 分子對(duì)接模式與疏水相互作用圖Fig 6 Diagram of molecular docking mode and hydrophobic interaction

由于化合物34分別與氨基酸殘基ASP80、ASP276、TYR246形成氫鍵，而ASP80和ASP276是PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中5ENK化合物已經(jīng)確認(rèn)的活性功能殘基，故推測(cè)TYR246可能是聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)化合物與BACE1結(jié)合的潛在活性功能殘基。將化合物11、12、15、35與BACE1受體（5ENK）結(jié)合，結(jié)果上述4個(gè)化合物均與氨基酸殘基ASP80、ASP276、TYR246形成氫鍵作用。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題組通過(guò)對(duì)41個(gè)聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)BACE1抑制劑化合物進(jìn)行3D-QSAR研究，建立了預(yù)測(cè)能力較好的CoMFA模型（q2＝0.760，r2＝0.972）與CoMSIA模型（q2＝0.704，r2＝0.981），根據(jù)CoMFA（立體場(chǎng)與靜電場(chǎng)）與CoMSIA（立體場(chǎng)、靜電場(chǎng)、氫鍵供體/受體場(chǎng)、疏水性場(chǎng)）的等勢(shì)圖分析，可指導(dǎo)此類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)該類(lèi)化合物與BACE1受體的分子對(duì)接研究發(fā)現(xiàn)，其可與ASP80、ASP276和TYR246等氨基酸殘基形成氫鍵作用，其中TYR246可能是聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)抑制劑化合物分子與BACE1結(jié)合的另一潛在活性功能殘基。據(jù)此，可對(duì)該類(lèi)化合物的取代基進(jìn)行合理優(yōu)化，獲得對(duì)BACE1抑制活性增強(qiáng)的新型聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)抑制劑。通過(guò)3D-QSAR分析結(jié)合分子對(duì)接，可進(jìn)行新型高效聯(lián)芳基氨基噻嗪類(lèi)BACE1抑制劑的設(shè)計(jì)合成，進(jìn)而用于研發(fā)新型AD治療藥物。

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