基于药效团模型的DHODH抑制剂构效关系研究

1、高等学校化学学报年月基于药效团模型的抑制剂构效关系研究鲍红娟，唐亚林，徐筱杰，向俊锋，郑智慧，路新华（中国科学院化学研究所，分子动态与稳态国家莺点实验室，北京分子科学国家重点实验室，北京；北京大学化学与分子工程学院，北京；华北制药集团新药研究开发有限责任公司，石家庄）摘要利用药效团模型研究二氢乳清酸脱氢酶（咖砒，）抑制剂的构效关系，为抑制剂的虚拟筛选提供新的方法以个具有抑制活性的化合物为训练集化合物，半数抑制浓度（）范围为，利用算法构建抑制剂药效团模型，通过对训练集化合物多个构象进行叠合，提取药效团特征及三维空间限制构建药效团模型利用基于删的交叉验证方法及评价模型对已知活性化合物的活性预测能力

2、，确定较优药效团模型模型包含个氧键受体、个疏水中心，表征了受体配体相互作用时可能发生的氢键相瓦作用、疏水相互作用和仃相互作用，个药效特征在三三维空间的排列概括了抑制剂产生活性的结构特点所得较优模型对训练集化合物及测试集化合物的计算活性值与实验活性值的相关系数分别为和利用药效团模型对来源于微生物的系列化合物进行虚拟筛选，筛选出个预测活性较好的化合物，可作为进一步药物研发的候选化合物关键词抑制剂；构效关系；药效团模型；虚拟筛选中图分类号文献标识码文章编号旬（二氢乳清酸脱氢酶（，）是一种含铁的黄素依赖的线粒体酶，是核酸中嘧啶合成的关键酶，催化嘧啶从头生物合成途径中的第四步反应是免疫相关疾病的重要靶点

3、，抑制，可以阻断新生嘧啶合成，致使合成障碍，抑制活化的淋巴细胞、淋巴细胞以及肿瘤细胞的增殖，从而在免疫抑制和抗肿瘤中起重要作用抑制剂来氟米特已经成功应用于自身免疫性疾病如红斑狼疮、类风湿性关节炎和肾病综合征等临床治疗而另一个抑制剂布喹那已经分别完成了抗肿瘤和器官移植免疫抑制的期临床实验布喹那的临床试验研究结果发现，布喹那联合环孢霉素或顺铂口服给药时，可引起粘膜炎、白血球减少及血小板减少“；而来氟米特的长期使用也会产生较大的毒副作用，如腹泻、肝酶异常、皮疹或高血压等哺圳因此寻找新型高效、副作用小的抑制剂就成为免疫相关疾病及肿瘤治疗中的研究热点药物呈现药理作用是与体内生物大分子发生结合作用的结果，

4、药物分子以特定的三维结构与受体的结合部位相结合，在三维空间中所采取的特定构象是呈现药理活性的必要前提，从药物分子的三维特征把握药物与受体的作用，是药物分子设计和构效关系研究中常用的策略药效团模型方法是计算机辅助药物设计中基于配体的一种药物设计方法，可最大限度地利用已有化合物的三维结构信息发现新药物目前药效团模型方法已被广泛应用于药物分子的虚拟筛选及构效关系研究¨本文以布喹那和来氟米特两个化合物为先导物，经过结构设计和实验验证，结合已有系列具有抑制活性的化合物报道驯，进行了构效关系研究，构建表征受体配体相互作用的药效团模收稿日期：聊联系人简介：唐亚林，男，博士，研究员，博士生导师，主要

5、从事化学牛物学和分析化学研究：卸鹳”徐筱杰，男，教授，博士生导师，主要从事药物分子设计及新约研发等研究：鲍红娟等：基于药效团模型的抑制剂构效关系研究型，用于数据库搜索，定量计算未知活性化合物的活性值，指导药物设计及结构优化，以期能够发现具有潜在活性的化合物实验部分药效团模型药效团模型构建采用美国公司的软件包（版本），主要模块包括砌（分子构建、三维结构编辑、三维结构搜索），珊（多构象模型生成工具），（分子和药效团叠合），（构建药效团模型）和（评价药效团模型）除特殊说明外，所有参数均为系统默认值实验过程训练集化合物构象分析由文献，报道的个化合物组成训练集，其半数抑制浓度（）范围为（表）各化合物化学

6、结构式见图对所选化合物优化至局部最小能量，利用而玎舱模块，以能量间隔为步长，计算所有训练集化合物的多个构象恤锄伪的轴鹤锄呦曲咖蚰凼恤彻珊弛弼木：；：晒；：明眦：一：戮啪肿印药效团特征的提取咖系统定义的药效特征可表征药物与受体结合所发生的静电、氢键和疏水相互作用，主要有氢键受体（，）、氢键供体（，）、高等学校化学学报如山嚣踟蜮镑少孓。氍。早嘏婚舻钆“叁、一。矿扣泛球（）。粕陆啪盯蚰咖龉礴砸廿唱伍疏水基团（百，）、负电荷基团（，）、负电离子化基团（，）、正电荷摹团（曙，）、正电离子化基团（，）和芳香环（，）药效团模型中除包含药效特征元素之外，还包括特征元素之间的距离、角度和二面角来定义的空间约束，

7、其中距离限制是最为常见的约束形式药效团模型的计算与评判通过对已知三维结构和生物活性数据的训练集化合物的多个构象进行叠合，抽象出训练集化合物所共有的药效团特征及三维空间限制，计算所得药效团模型可能含有的药效团特征和数目，生成药效团模型来描述化合物生物活性的共有特性，所建立鲍红娟等：基于药效团模型的抑制剂构效关系研究的药效团模型可用来计算活性未知化合物的活性值，也可作为提问结构，结合数据库搜索技术筛选具有潜在活性的化合物算法计算药效团模型的计算过程包括，瑚，个步骤通过步骤识别出可表达活性化合物共有药效特征的模型，再经过排除表达了无活性化合物共有特征的模型，最后经进一步优化初始模型，得到得分最高的模

8、型一利用计算药效团前，需要提供最多个候选药效特征通过考察不同候选药效团特征对结果的影响，结合系统提供的评价方法筛选出较优药效团模型利用费用函数（）评价药效团模型，每个模型都可用此函数表达模型的复杂性、化学特征与理想权重的偏差以及预测活性与活性实验数据的误差，每个模型均有自己的值计算结果给出个理想化模型，其中个是最好的模型，即活性值相关曲线的斜率为，其￥值为值；个是最差模型，即活性值相关曲线的斜率为，其值为值根据舳原理，认为最优药效团的值最小，且应接近值，小于值娟是另一个重要的参数，由模型的空间复杂程度决定，较优模型的值应不大于应用模块评价药效团：基于随机交叉验证，把训练集分子结构与活性打乱莺新

9、计算，检验模型对化合物活性的计算值与实际值是否具有很强的相关性，较优药效团模型的相关系数应比重新计算后模型的相关系数大，值应比重新计算后模型的值小基于药效团的数据库搜索利用系统中的模式进行基于药效团的三维数据库搜索，将药效团模型与数据库中化合物的多个构象一一进行匹配，寻找能够与药效团匹配的化合物；对搜索结果命中的化合物采用模式进行化合物多构象与药效团匹配，根据匹配程度预测化合物活性结果与讨论抑制剂药效团模型根据训练集各化合物所含药效团特征，针对不同的药效团特征组合，计算药效团模型系统特征设置数最大为，选择不同的药效特征组合，计算结果见表得到个含有不同特征、相关系数较高的模型，相关系数在之间个模

10、型与已知作用的配体化合物匹配结果示意图见图曲朋帽鹤岱咎瑚；靶毽咖（一瑚）锄咖：缸；：雌嘲；：删翳；：高等学校化学学报药效团模型反映了配体抑制剂与靶点作用时，可能发生的氢键相互作用、疏水相互作用和仃一仃相互作用已报道复合物（：）中与结合模式见图，显示结构中连在双键上的羟基与活性口袋中的酪氨酸残基存在氢键相互作用药效团计算所得个模型与匹配结果显示，除模型以外其它个模型中氢键受体或氢键给体特征均与结构中连在双键上的羟基匹配，因此可认为所得到的个模型可反映受体配体相互作用的关键特征，可用于计算化合物活性和数据库搜索发现具有潜在活性的化合物测试集化合物的活性计算结果聍”呲；协咖以文献，报道的个具有抑制活

11、性的化合物组成测试集，评价所得模型的预测能力图为组成测试集化合物的结构式所得个药效团模型分别与图中个化合物匹配，计算化合物的值，结果见表模型对个化合物活性计算值与实测值的相关系数分别为，其中模型相关系数为，回归直线图见图，高于其它个模型，说明利用此模型对测试集化合物活性预测结果较好繇 莎魄伽醒毯多毗多。秽洳激聃，、一明叶丫翠心擀哟魄各地盯吡镪璐砸预测结果较好的模型药效团模型含有个氢键受体，个疏水中心，模型值为，训练集化合物活性计算值与实测值相关系数为，回归直线图见图图所示为该模型与训练集中活性较高的化合物的匹配示意图利用此药效团模型计算训练集化合物的活性值见表，比较训练集化合物活性计算值和实测

12、值，活性较大化合物计算值与实测值活性在同一数量级，表明药效团模型具有较优的预测能力药效团与训练集化合物的匹配结果见表中列数据，其中“”表鲍红娟等：基于药效团模型的抑制剂构效关系研究麟删、鹤帅啾，。锄。屺。“釜；口蚤；口譬。强加， 盈¨譬。，芒卜暑卜驰帅吣、，姻玛野叫（）恤（）瑙示与相应的药效团特征有匹配，“一”表示未匹配结果显示药效团模型与训练集化合物具有较优的匹配利用模块进行随机交叉验证结果见表在置信度水平下哺，对训练集化合物进行随机交叉验证，产生个药效团模型，其中个模型的相关系数值小于；个药效团模型的相关系数均小于较优药效团模型的相关系数交叉验证结果表明所得药效团模型具有较高的置

13、信度虚拟筛选结果泐叩瑚卸咖：唧妇瑚；响：。嘲“嘣利用所得较优模型对来源于微生物的天然产物进行虚拟筛选，得到个化合物，计算活性值范围为，通过进一步实验验证，从中发现抑制剂高等学校化学学报鼯彻咖舢“。“宰活性化合物与药效团模型的匹配壳二孢类化合物和抑制的活性值值分别为和。，利用药效团模型计算活性分别为和，计算活性值接近实验活性值，化合物和与药效团模型的匹配图见图图中显示个化合物结构中芳香环上与氯原子相邻的羟基与氢键受体特征匹配，化合物结构中芳香环上取代甲基与疏水中心特征匹配，结构中芳香环上取代基氯原子与疏水中心匹配印协珊弛珊岫（）粕（）：批盼；：鹎伽嗍结论基于算法构建抑制剂药效团模型，不同药效特征

14、组合计算得到个候选模型，通过评价模型对测试集化合物的活性预测能力，确定较优的模型基于的交叉验证显示，在置信度水平下模型具有显著的统计意义所得较优模型可用于数据库搜索，寻找可能具有潜在活性的化合物模型包含个氢键受体、个疏水中心，表征了受体配体相互作用时可能发生的氢键相互作用、疏水相互作用和仃一相互作用已有研究结果表明，结构中连在双键上的羟基与活性口袋中的酪氨酸残基）稻存在氢键相互作用药效团模型中氢键受体特征与活性化合物 结构中连在双键上的羟基匹配，模型中氢键受体特征表征了受体配体之间的氢键相互作用模型中的鲍红娟等：基于药效团模型的抑制剂构效关系研究疏水中心特征表征了可能发生的疏水相互作用，其中芳

15、香性的疏水中心可表征呵相互作用个药效特征在三维空间的排列概括了抑制剂产生活性的结构性质特点可根据模型提供的信息进行结构片段组合，设计出新型抑制剂模型对训练集化合物计算活性值与实验活性值的相关系数为，对个测试集化合物计算活性值与实验活性值的相关系数为，表明该模型具有较优的预测能力。来源于微生物的化合物和具有抑制活性，本文利用所得较优模型对其进行了活性预测，预测活性与实验活性一致或接近，验证了模型的预测能力由于模型对此类化合物有较好的预测能力，因此利用此模型对来源于微生物的一系列化合物进行筛选，得到可能具有潜在活性的个化合物，可进一步结合实验筛选出活性化合物对与其配体相互作用的研究结果表明】，一些

16、化合物与结合时表现为两种结合模式，称为布喹那式结合模式和非布喹那式结合模式布喹那式结合模式中配体分子采取特定构象，配体分子中五元环上羧基与谷氨酰胺残基和精氨酸残基的侧链形成氢键，产生氢键相互作用非布喹那式结合模式中配体分子五元环旋转，与酪氨酸残基形成氢键，并在水分子介导下与酪氨酸残基形成氢键在非布喹那式结合模式中谷氨酰胺残基和精氨酸残基的构象不是特定的，反之在混合式和布喹那式结合模式中和采取特定的构象本文用于构建药效团模型的化合物，与靶点的结合模式也表现为两种¨：一种类似与的结合模式；另一种类似布喹那与的结合模式构建药效团过程中，采集训练集化合物的多个构象，对化合物可能存在的多种构象

17、进行叠合，概括两种结合模式的特征从配体小分子结构出发，在现有结构及活性信息基础上，挖掘活性化合物的结构特性，构建药效团模型，所得药效团模型表征了配体与受体相互作用时可能发生的氢键相互作用、疏水相互作用和订一万相互作用，可用来进行虚拟筛选，发现具有潜在活性的先导物，进一步指导结构改造及优化针对于某一个配体分子与结合时，构象有改变，那么基于复合物结构分子对接的虚拟筛选存在局限性，若不考虑大分子的柔性进行对接，可能造成漏筛本文尝试在构效关系研究的基础上，利用基于配体结构的药效团模拟方法进行筛选，构建配体分子的活性特征模型，指导虚拟筛选，尽可能多地命中活性化合物参考文献埘，耐以，：，：，“耐，】，删，

18、甜以锄粕，：（，剐，蛳硪嘲，：一，越诵，：，柚，甜，耐矗啪，：一，。甜以盱（，），：，。：，明，：，叩，越粕咖，】，：玲（徐筱杰），争（侯廷军），（乔学斌），以越唧口弘（计算机辅助药物分子设计），：砒，：（郭宗儒）“咖（药物分子设计），：。：呻粒叩他唧砸仰，叩，明咖，：号“，（）：【，耐以吐咖，：一，耐。，船：，舯，工枷鹤，明，（，以吐。，靳：砒，嘲岫，酣以咖。，：】，甜吐，（），：，孙，矗甜蛐伽丑锄，“：高等学校化学学报，甜耐岬伽就膳，：，咖，甜口厶，：蚰姗龇叩，叩，蛐捌印，丑：叫礴蛔眦，：锄，仰嘞（鲍红娟），舯（张燕玲），柚一（乔延江）嘲髓（高等学校化学学报），凹（）：一【锄，以骞眦鸭，：

19、锄，髓，以学“，哪棚娼。，：，群吐嗣朝叩朗砌咖，：彻（齐巧娟），）【（路新华），（郑智慧），日协（微生物学报），：”锄咧盯，。，甜以咖，移：一赦的彻肿肌”，“，队，（归肌如，口如耐向】以盯记，姚，以研如如删如溉翻船渤，踟眦娩删舶舶凫渤讹，加脱记耐叩，、如如倒协口谢唧却聊上碰，蛳础蚴哆，吼船）矿如静矿陇眦竹嘶胁砌副鲫讥，尸嘲增蚵，和曙，吼舱；锄玛地址跏洒，船纰矿陇嘶，蕊嬲如啊旷如，粥，成舛，蕊打；鹪鼬，删叩璐面伊珊彬卟叩州珊陀硼，鹊，砌，玛，姐础曲一舀舢卅锄鹊仰，订一仃觚粕觚玳卅鹪觚卟，肌瑙，砸而丘）哪跎山；一；他；（：，） 基于药效团模型的DHODH抑制剂构效关系研究作者：作者单位：鲍红娟，

20、唐亚林， 徐筱杰， 向俊锋， 郑智慧， 路新华， BAO Hong-Juan， TANG Ya-Lin ， XU Xiao-Jie， XIANG Jun-Feng， ZHENG Zhi-Hui， LU Xin-Hua鲍红娟,BAO Hong-Juan(中国科学院化学研究所,分子动态与稳态国家重点实验室,北京分子科学国家重点实验室,北京,100190;北京大学化学与分子工程学院,北京,100871， 唐亚林,向俊锋,TANG Ya-Lin,XIANG Jun-Feng(中国科学院化学研究所,分子动态与稳态国家重点实验室,北京分子科学国家重点实验室,北京,100190， 徐筱杰,XU Xiao-J

21、ie(北京大学化学与分子工程学院,北京,100871， 郑智慧,路新华,ZHENG Zhi-Hui,LU Xin-Hua(华北制药集团新药研究开发有限责任公司,石家庄,050015高等学校化学学报CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES2010,31(53次刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：参考文献(27条1. Jeffrey B;Carolyn H M;Nicholas A M 查看详情 20052. Burris H A;Raymond E;Awada A 查看详情 19983. Makowka L;Tixier D;Chaux A 查看详情 19934. Pally C;Smith D;Jaffee B 查看详情 19985. Alldred A;Emery P 查看详情 20016. Cohen S;Cannon G W;Schiff M 查看详情 20017. Emery P;Breedveld F C;Lemmel E M 查看详情 20008. Li E K;Tam L S;Tomlinson B 查看详情 20049. Shastri V;Betkerur J;Kushalappa P A 查看详情 200610. 徐筱杰;侯廷军;乔学斌 计算机辅助药物分子设计 2