陳小中,沈 燕,王 娟,胡 勇,林治華
(重慶理工大學 藥學與生物工程學院, 重慶 400054)
端錨聚合酶(TNKS)是聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)蛋白家族成員之一[1]。TNKS參與多種生物學進程,如有絲分裂、Wnt信號通路等[2]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),Wnt信號在多種癌癥中被過度激活,抑制TNKS能穩(wěn)定Wnt信號轉導,從而抑制腫瘤細胞增殖[3]。因此,TNKS已成為腫瘤治療領域中一個具有吸引力的靶點[4]。在部分端錨聚合酶抑制劑研究方面,諾華研究人員在2009年報道了小分子化合物XAV939(IC50=11 nmol),其通過結合TNKS煙酰胺結合位點從而抑制TNKS活性[5]。Texas大學研究人員通過基于細胞評價的方法,從220 000個化合物中篩選出TNKS抑制劑endo-IWR-1,通過結合TNKS煙酰胺結合位點從而抑制TNKS活性。默克公司研究人員設計合成了一系列TNKS抑制劑,在這些化合物中,化合物5K在細胞實驗(IC50=7 nmol)和腫瘤移植模型小鼠中皆顯示良好的抗腫瘤作用。如圖1所示,列舉了具有代表性的TNKS抑制劑結構。
圖1 代表性的TNKS抑制劑結構
目前,尚未有TNKS抑制劑被批準應用于臨床,但已有PARP家族其他成員的抑制劑(如olaparib)應用于臨床。針對TNKS的抑制劑正在開發(fā)中,截至目前,尚未有專門的選擇性TNKS抑制劑上市。TNKS顯示了巨大的臨床應用開發(fā)潛力,是具有吸引力的抗癌藥物靶標之一。
3D-QSAR研究包括分子力場分析法(CoMFA)[6]和比較分子相似性法(CoMSIA)[7]。CoMFA和CoMSIA是藥物設計領域中研究一系列化合物定量構效關系的2種經(jīng)典的方法[8]。分子對接是一種表征受體與其配體結合方式的方法[9]。3D-QSAR和分子對接可用于研究化合物的詳細藥效團特征,同時為設計新化合物提供有用信息[10]。有研究表明,3D-QSAR和分子對接的聯(lián)合應用能夠發(fā)現(xiàn)新的先導化合物。目前尚無喹唑啉衍生物作為TNKS抑制劑的3D-QSAR研究報告。因此,在本文中,利用CoMFA、CoMSIA和分子對接技術研究一系列喹唑啉類TNKS抑制劑。該研究可為新型TNKS抑制劑的開發(fā)提供理論參考。
數(shù)據(jù)集來源于Buchstaller等[1]報道的28個喹唑啉類TNKS抑制劑。所有抑制劑均使用SYBYL.2.1軟件構建。抑制劑的結構及其pIC50(-logIC50)值如表1所示。適當?shù)哪芰孔钚』肿臃椒▽Λ@得準確的3D-QSAR模型至關重要。使用Tripos力場[11]和Powell方法使化合物能量最小化,最大迭代次數(shù)設置為1 000,其他參數(shù)取默認值。所有化合物加載Gasteiger-Hückel電荷[12]。訓練集和測試集分別包含22種和6種化合物, 測試集用*標識,如表1所示。所有化合物使用喹唑啉骨架進行疊合(圖2)。
表1 TNKS抑制劑結構及CoMFA和CoMSIA模型的預測值
續(xù)表(表1)
圖2 28個TNKS抑制劑基于公共骨架的疊合圖
(1)
(2)
(3)
分子對接(molecular docking)依據(jù)“鎖-鑰原理”研究受體生物大分子和配體小分子之間的相互作用,利用特定算法計算“鑰匙”(配體小分子)與“鎖”(受體生物大分子)在幾何形狀、靜電相互作用、疏水作用等方面的互補匹配情況。Suflex具有較高的準確度,故本研究使用SYBYL-X2.1軟件的Suflex模塊進行對接研究[13]。從Protein Data Bank(https://www.rcsb.org)下載TNKS與化合物13復合物的x射線晶體結構,PDB代碼為6qxu。Suflex具有3種主要的對接模式,包括Screen(高通量篩選模式)、Geom(標準模式)和GeomX(高精度模式)。為了獲得準確的對接結果,使用GeomX模式進行對接。首先,進行蛋白準備,提取出PDB文件中的原始配體,并刪除其中的水分子;其次,給蛋白質加上氫鍵,蛋白質活性口袋在原始配體的基礎上生成;最后,將配體對接至生成的TNKS活性口袋中。Suflex使用聯(lián)合打分函數(shù),將得分最高的構象作為最后的分子對接結果。
表2 CoMFA和CoMSIA分析的統(tǒng)計參數(shù)
圖3 實驗pIC50值與預測pIC50值散點圖
表3 33種可能的CoMSIA模型的偏最小二乘(PLS)結果
續(xù)表(表3)
CoMFA等勢圖如圖4所示,化合物11在圖中以供參考。藍色區(qū)域(貢獻度為80%)表示吸電子基團對活性有利的區(qū)域,紅色區(qū)域(貢獻度為20%)表示吸電子基團對活性不利的區(qū)域。在R4位置的芳香環(huán)附近有一個較大的藍色色塊,表明此區(qū)域存在吸電子基團,將會增加化合物活性。這也許是化合物8(pIC50=7.95)的活性高于化合物9(pIC50=7.85)的原因。綠色區(qū)域(貢獻度為80%)表示空間位阻大的基團對活性有利,黃色區(qū)域(貢獻度為20%)表示空間位阻大的基團對活性不利。在R3上方有一個綠色色塊,表明此處空間位阻大的取代基會增加活性。這可以解釋為什么化合物11(R3=CH3)的活性比化合物9(R3=F)的活性高。
圖4 CoMFA等勢圖
CoMSIA等勢圖如圖5所示,化合物15在圖中以供參考。黃色區(qū)域(貢獻度80%)和白色區(qū)域(貢獻度為20%)分別表示了具有疏水性和親水性基團對活性有利的區(qū)域。R3位置有一個黃色色帶,這可以解釋在苯環(huán)的R3位置具有疏水基團(-CH3)的化合物1比化合物30活性(R3=H)高的原因。青色部分表明此區(qū)域氫鍵供體基團(貢獻度為80%)會提高化合物活性。相反地,紫色部分(占20%的貢獻)表示氫鍵供體基團在該區(qū)域會降低化合物活性。2個青色色塊位于R3芳基附近,表明該部分上的氫鍵供體基團將增加化合物活性。例如,R3位置芳環(huán)上有哌啶基的化合物23(pIC50=8.88)的活性比R3位置具有哌嗪基的化合物22(pIC50=7.82)的活性高。
圖5 CoMSIA等勢圖
為了更好地解釋TNKS及其抑制劑之間的結合方式,對活性最高的化合物15和活性最低的化合物19分別與TNKS進行分子對接?;衔?5和19被對接在TNKS煙酰胺結合位點,這2個化合物與TNKS之間的二維相互作用如圖6所示(圖片由Discovery Stido 2018生成的)。化合物15與TNKS氨基酸殘基Ser1221、Gly1185發(fā)生氫鍵相互作用,這與化合物19相同。具體來說,即化合物15和19吡唑環(huán)上的羰基氧原子和-NH氫原子分別作為氫鍵與Gly1185形成2個氫鍵?;衔?1與TNKS復合物x射線晶體結構(PDB ID:6qxu)顯示,化合物11和TNKS殘基Ser1221、Gly1185形成與化合物15和19相同的3個氫鍵,表明Ser1221、Gly1185在穩(wěn)定TNKS過程中有重要作用。值得注意的是,CoMSIA等勢圖表明喹唑啉附近存在紫色色塊,表明該區(qū)域可能與TNKS發(fā)生氫鍵相互作用,分子對接結果和等勢圖結果相符?;衔?5和19吡唑環(huán)與殘基Tyr1213、Tyr1224產(chǎn)生π-π堆積作用?;衔?5和化合物19的氟原子(R2)與Phe1214發(fā)生鹵素相互作用?;衔?5的甲基與TNKS殘基Tyr1203、Tyr1213、Tyr1224和Lys1220產(chǎn)生π-Alkyl作用。化合物19的R3位置無甲基,所以沒有上述類似作用。
圖6 TNKS與化合物15、化合物19的分子對接相互作用示意圖
采用經(jīng)典的定量構效關系分析方法CoMFA和CoMSIA對一系列喹唑啉類似物進行研究,發(fā)現(xiàn)3D-QSAR模型具有良好的統(tǒng)計參數(shù),證明了這些抑制劑的結構與活性之間的相互關系。分子對接研究結果揭示了這些抑制劑與TNKS之間相互作用的模式,證實了CoMFA和CoMSIA模型。該研究是計算機輔助藥物方法在TNKS方面的應用,可為開發(fā)TNKS抑制劑作為抗癌藥物提供參考。