蛋白酶體抑制劑的定量構(gòu)效關(guān)系及分子設(shè)計(jì)研究.pdf

1、泛素-蛋白酶體(ubiquitin-proteasome system，UPS)通路是人體最重要的蛋白質(zhì)代謝途徑，業(yè)已證明該通路與包括腫瘤在內(nèi)的多種疾病密切相關(guān)，如多發(fā)性骨髓瘤、神經(jīng)退行性疾病、炎癥、心肌梗死等，這使得以蛋白酶體為靶標(biāo)的蛋白酶體抑制劑的研發(fā)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。目前，已經(jīng)上市的蛋白酶體抑制劑僅有2003年美國(guó)FDA批準(zhǔn)的作為治療多發(fā)性骨髓瘤的藥物硼替佐米(Bortezomib)，而第二代蛋白酶體抑制劑Carfilzomi

2、b也已進(jìn)入FDA審查階段。截至目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的蛋白酶體抑制劑主要有醛肽類(lèi)、硼酸肽類(lèi)、環(huán)氧酮類(lèi)、β-內(nèi)酯類(lèi)、多酚類(lèi)和黃酮類(lèi)等結(jié)構(gòu)類(lèi)型，同時(shí)也出現(xiàn)了一些植物源和金屬絡(luò)合物等新型抑制劑分子。雖然一些抑制劑分子已經(jīng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的體外抑制活性，但選擇特異性差、毒副作用大和生物利用度不高仍是該類(lèi)藥物研發(fā)的主要瓶頸問(wèn)題。
　　 由于蛋白酶體抑制劑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、分子柔性大、共價(jià)結(jié)合等原因，給定量構(gòu)效關(guān)系(quantitative structu

3、re activity relationship，QSAR)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分子設(shè)計(jì)研究帶來(lái)了極大難度，且相關(guān)研究也尚不多見(jiàn)。為此，本論文以Tyropeptin硼酸肽類(lèi)、環(huán)氧酮肽類(lèi)、乙烯基砜類(lèi)、醛三肽類(lèi)以及非共價(jià)作用的二肽衍生物這5類(lèi)蛋白酶體抑制劑為研究對(duì)象，采用比較分子場(chǎng)分析(Comparative molecular fieldanalysis，CoMFA)、比較分子相似性指數(shù)分析(Comparative molecular simil

4、arityindices analysis CoMSIA)、Topomer CoMFA、全息定量構(gòu)效關(guān)系(Hologram QSAR)以及分子對(duì)接(Molecular Docking)等方法對(duì)上述5類(lèi)蛋白酶體抑制劑的定量構(gòu)效關(guān)系及與作用機(jī)理進(jìn)行了全面細(xì)致的研究。在此基礎(chǔ)上，采用EA-Inventor對(duì)相關(guān)體系進(jìn)行了分子設(shè)計(jì)研究，篩選出了具有高預(yù)測(cè)活性的新型分子。主要研究結(jié)果如下：
　　 ①Tyropeptin硼酸三肽類(lèi)蛋白酶體抑

5、制劑與蛋白酶體的相互作用以氫鍵和疏水作用為主，最優(yōu)的CoMSIA模型包含氫鍵供體場(chǎng)、疏水場(chǎng)、氫鍵受體場(chǎng)和立體場(chǎng)，其最佳主成分?jǐn)?shù)、決定系數(shù)R2、標(biāo)準(zhǔn)差S、交互驗(yàn)證系數(shù)Q2和外部預(yù)測(cè)R2pred分別為3、0.882、0.188、0.494以及0.660。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分子設(shè)計(jì)篩選出5個(gè)目標(biāo)分子，其預(yù)測(cè)活性均達(dá)到nM水平。
　　 ②環(huán)氧酮肽類(lèi)蛋白酶體抑制劑：從分子結(jié)構(gòu)表征入手，通過(guò)引入一維和二維描述符結(jié)合支持向量機(jī)(support

6、vector machine，SVM)建模方法，避免了高柔性大分子體系的構(gòu)象選擇、疊合和過(guò)擬合問(wèn)題。最優(yōu)SVM模型的描述符變量數(shù)、決定系數(shù)R2、交互驗(yàn)證系數(shù)Q2和外部預(yù)測(cè)R2pred分別為13、0.681、0.572和0.64.1。研究結(jié)果顯示：56個(gè)環(huán)氧酮肽分子的電性、拓?fù)洹⑹杷院头肿芋w積是影響蛋白酶體抑制劑活性的主要因素。在此基礎(chǔ)上通過(guò)分子設(shè)計(jì)最終篩選出18個(gè)目標(biāo)分子，其預(yù)測(cè)活性均達(dá)到納摩爾水平且都高于模板分子的活性預(yù)測(cè)值(pIC

7、50=8.921)。
　　 ③乙烯基砜類(lèi)蛋白酶體抑制劑：最優(yōu)QSAR模型為基于分子一維和二維結(jié)構(gòu)特征的SVM模型，其描述符變量數(shù)、決定系數(shù)R2、交互驗(yàn)證系數(shù)Q2和外部預(yù)測(cè)R2pred分別為11、0.581、0.516和0.501。研究結(jié)果顯示：56個(gè)乙烯基砜類(lèi)分子的電性、組成和分子體積是影響該類(lèi)蛋白酶體抑制活性的主要因素，這與分子對(duì)接分析結(jié)果也相互印證。與此同時(shí)，該類(lèi)抑制劑分子可通過(guò)水分子與蛋白酶體β5位點(diǎn)的ALA50以及β6位

8、點(diǎn)的ASP114形成“水橋”相互作用也是影響抑制活性的一個(gè)重要因素。
　　 ④醛三肽類(lèi)蛋白酶體抑制劑：建立了兩個(gè)較優(yōu)的QSAR模型：1)TopomerCoMFA模型，其主成分?jǐn)?shù)、R2、Q2和R2pred分別為3、0.856、0.676和0.5777；2)HQSAR模型，其主成分?jǐn)?shù)、R2、Q2和R2pred分別為6、0.877、0.555和0.8814。TopomerCoMFA模型的等勢(shì)圖分析結(jié)果顯示：P4位置適宜負(fù)電性且位阻相對(duì)

9、適中的基團(tuán)，而P1、P2和P3位置均以帶電的和大體積基團(tuán)為宜。
　　 ⑤基于二肽骨架的非共價(jià)蛋白酶體抑制劑：最優(yōu)模型為HQSAR模型，其碎片組合為A+B+c+H+Ch，碎片長(zhǎng)度為4-7，最佳全息長(zhǎng)度(BL)為59。模型的主成分?jǐn)?shù)、R2和Q2分別為3，0.886和0.565，標(biāo)準(zhǔn)誤差SEE為0.361，模型對(duì)8個(gè)預(yù)測(cè)集樣本的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的回歸方程的決定系數(shù)R2pred為0.6815。研究顯示：抑制劑與蛋白酶體β5活性位點(diǎn)的非共價(jià)