COX_2_DHODH双重抑制剂存在可行性的初步对接虚拟筛选研究

第35卷第6期

2008年北京化工大学学报

JOU RNAL OF BEIJING U NI VERSIT Y O F CHEM ICA L T ECHN OL OGY Vol.35,N o.6

2008

COX 2/DHODH 双重抑制剂存在可行性的

初步对接虚拟筛选研究

李顺来 李秀艳 杜洪光

(北京化工大学理学院,北京 100029)

摘 要:首次开展了探索环氧合酶 2(COX 2)和二氢乳清酸脱氢酶(DHO DH)双重抑制剂存在的可行性研究工作。通过自建CO X 2抑制剂数据库,采用虚拟筛选方法,以DHO DH 的晶体结构为靶标,对自建的COX 2抑制剂数据库进行对接虚拟筛选,筛选出多个对DHODH 可能有抑制作用并且具有COX 2抑制活性的分子。研究表明,现有数据库中的25000系列、7000系列、26000系列以及33000系列的抑制剂最有可能成为DHO DH 和COX 2的双抑制剂,特别是其中的25002、7004和7006这三个抑制剂,具有进一步实验研究的价值。关键词:COX 2;DHO DH;双重抑制剂;虚拟筛选中图分类号:R914 2

收稿日期:2007 12 10

第一作者:男,1970年生,副教授,理学博士E mail:Lishunlai@https://www.360docs.net/doc/f43431131.html,

引 言

类风湿性关节炎是一种自身慢性免疫性疾病,目前,治疗类风湿疾病的常用药物为环氧合酶 2(COX 2)选择性抑制剂和二氢乳清酸脱氢酶(DH ODH)抑制剂。由于多重抑制剂比起单抑制剂具有更经济、给药更方便的优点,所以从药理学及经济学的角度来看,最好的类风湿性关节炎治疗药应该具有非甾体抗炎药(NSAIDs)和病症缓解性抗风湿药(DMARDs)双重作用。其中整合型的同时具有COX 2/DH ODH 双抑制作用的抑制剂是否存在,是否可以成为某种类型抗类风湿药物,有关这方面的研究尚未见报道。特别是环氧合酶 2和二氢乳清酸脱氢酶已有复合物晶体结构[1 2]的报道,有望成为药物设计的靶标。

随着各种学科的发展,尤其是计算机模式识别技术和高性能计算机的快速发展,基于分子对接技术的虚拟筛选已成为药物发现过程中的一种经济、实用且有效的技术

[3]

。利用计算机进行虚拟筛选

具有非常高的效率,它节省了大部分化合物合成或购买以及实际生物测试的时间和花费。随着超级计算机的发展,一天筛选十万甚至几十万个小分子已

成为现实,大大加快了新药研发的进程,并降低了成本。

近年来本课题组从事COX 2选择性抑制剂研究已收集了大量文献。本文根据文献自建了一类COX 2抑制剂数据库,并采用虚拟筛选方法,以DHODH 的晶体结构为靶标,对自建的COX 2抑制剂数据库进行对接虚拟筛选,筛选对DH ODH 可能有抑制作用并且具有COX 2抑制活性的分子。首次开展了探索COX 2和DHODH 双重抑制剂存在的可行性的研究工作,期望为经济合理、给药方便的多重抑制作用的DMARDs 的研究探索一条新路径。

1 计算方法

本文选择eHiTS 6 2软件[4 7]作为研究工具。由于药理学研究表明,来氟米特的活性物质是其活性代谢物A771726[8],如图1所示。在eH iT S 的计算中,首先以二氢乳清酸脱氢酶DHODH 复合物晶体结构(PDB:1d3h.pdb)

[2]

中抑制剂来氟米特的代

谢物A771726验证eH iT S 软件分子对接结果的可靠性,然后以文献[9]中的70个DHODH 抑制剂进行强化训练其打分函数。分子对接、强化训练以及虚拟筛选,均采用eH iT S 软件推荐的执行命令进行,分子对接过程中每一个分子做软件默认次数平行的构象搜索,最后得到32个不同的结合构象,根据计算得到程序打分值排队。虚拟筛选,每一个分子做软件默认次数平行的构象搜索,最后得到程序

打分值最高的1个结合构象。全部计算均在AMD 皓龙144工作站上完成,所有参数若非特别指明,均

使用缺省值。

图1 来氟米特及其代谢产物A771726结构式F ig.1 M olecular str uctures of leflunomide and the

active metabolite A 771726

2 结果与讨论

2 1 C OX 2抑制剂数据库的建立

在近年来收集的有关COX 2抑制剂分子研究的文献中,笔者整理出了773种COX 2抑制剂分子的结构以及可能的活性数据。对这些构建数据库的COX 2抑制剂分子,均采用ArgusLab 4 01软件[10]构建分子结构,先用UFF 分子力学方法作初步优化,再采用PM 3半经验量子化学方法作全优化,从文献[9]中选择用于对接强化训练的70个DH ODH 抑制剂也采用同样方法构建和优化。全部抑制剂分子结合其相关活性数据,构建了如图2所示的COX 2抑制剂数据库。该数据库中有具有COX 2抑制活性IC50数据的分子有518个分子,具有COX 2抑制活性log1/C 数据的分子338

个。

图2 COX 2抑制剂数据库Fig.2 Database of CO X 2inhibitors

2 2 eHiTS 软件关于DHODH 的对接验证

在本文eH iT S 的计算中,以来氟米特的活性代

谢物A771726来验证eHiTS 软件的对接可靠性,并用文献[9]中的70个DHODH 抑制剂分子进行半经验自由能函数的打分方法的强化训练。得到的A771726分子与1d3h 酶的结合作用图,如图3所示。

图3 来氟米特代谢产物A771726和DHODH 的对接结构

Fig.3 Docking structure of the active metabolite

A 771726w ith DHO DH

从图3可以看到,对接后的A771726的分子结构(a)与DHODH 的复合物晶体结构1d3h 中的结构(b)非常好的吻合,而对接结果的RM S 只有0 425。为了提高虚拟筛选的可靠性,本文采用了三种打分方法:(1)eHiTS 软件默认的半经验自由能函数;(2)以文献[9]中的70个DHODH 抑制剂分子中IC 50<5000nmol/L 为activ itys 组,IC 50>5000nmol/L 为decoys 组;(3)以70个抑制剂分子中IC 50<1000nmol/L 为activitys 组,IC 50>1000nmol/L 为decoys 组进行强化训练,获得半经验自由能函数,以多种打分方法都能命中的化合物作为筛选结果。后经该70个DHODH 抑制剂分子的重新对接验证,表明这些抑制剂分子与A771726分子取向(pose)是一致的,并且以上三种打分方法均可以区分activitys 组和decoys 组化合物,其中方法(2)的打分方法最好。2 3 eHiTS 软件关于DHODH 的虚拟筛选

本文分别采用3种打分方法进行了虚拟筛选,通过每种打分方法,筛选到得分最高的50个化合物,在这50个分子中,剔除COX 2的抑制活性IC 50活性大于2000nmol/L 以及无COX 2的抑制活性的分子,剩余的抑制剂分子作为筛选结果。在本文中,

方法(1)筛选得到24个化合物,方法(2)和(3)分别

筛选得到14个化合物。表1中给出了这些高分抑制剂分子及其COX 2的抑制活性IC 50、log 1/C 以及DHODH 虚拟筛选的得分。从表1可以看到,三种

26 北京化工大学学报 2008年

打分虚拟筛选得到的高分抑制剂分子都具有或大或小的COX 2的抑制活性,而且25002、7004和7006三个化合物在三种虚拟筛选方法中均命中,而其他的33008、26001、7011、26005、26004和25008等几个化合物有两次命中,这就表明现有数据库中的25000、7000、26000以及33000系列的抑制剂最有可能成为DHODH和COX 2的双抑制剂,特别是其中的25002(R1=S(O)2CH3,R2=H,IC50=8 33nmol/L)、7004(NH2,R1=H,R2=H,R3=F,R4= F,IC50=450nmol/L),7006(NH2,R1=H,R2=H, R3=F,R4=Cl,IC50=500nmol/L)这三个抑制剂,它们的得分不仅排在最前面的位置,三种虚筛均命中,而且具有合适的COX 2的抑制活性,具有进一步实验研究的价值。另外,从表1的高分化合物的分类可以发现,这些抑制剂分子只分属13种类型,其中最主要的只有8种类型,如图4所示。

表1 虚拟筛选高分抑制剂分子

T able1 T he top scor ed compounds from virtual screening

方法化合物IC

50

/nmol L-1log1/C得分

250081406 85-8 552

250041 088 97-7 992

3300819 00-7 423

162010 110 00-7 419

2500610255 99-7 418

9018267 56-7 338

380427 52-7 303

34190 0810 10-7 285

380245 23-7 262

380046 80-7 162

250028 338 08-7 145

(1)a)2500526 877 57-7 136 901713 87 86-7 118 1501041 27 38-7 060 1020611005 96-6 854 380526 96-6 831 102032306 64-6 779 250013 678 44-6 738 41103756 43-6 714 70044506 35-6 706 70065006 30-6 702 380167 10-6 695 353092196 66-6 663 380446 77-6 633

(2)b)250028 338 08-13 451

260060 399 41-12 855

方法化合物IC

50

/nmol L-1log1/C得分

250081406 85-12 779

2500610255 99-12 581

260010 559 26-12 548

70065006 31-12 455

70044506 35-12 380

(2)b)

260040 519 29-12 113

260051 158 94-12 113

250041 088 97-12 086

50010 849 08-12 051

70114306 37-11 931

310071977 85 70-11 900

901014 57 84-11 887

330081 09 00-54 422

250028 338 08-54 243

70065006 30-52 982

33009307 52-52 07

70044506 35-51 068

3300758 87 23-50 903

(3)c)

701319005 72-48 878

33010477 33-48 377

260010 559 26-48 101

70114306 37-48 061

260040 519 29-47 376

260051 158 94-47 376

70175006 30-47 358

330045556 26-47 219

a)A771726得分:-5 703;b)A771726得分:-14 048;c)A771726得分:-52 554

2 4 DHODH与抑制剂作用方式分析

在虚拟筛选的基础上,本文进一步以LIG PLOT软件[11]分析研究了A771726、高分抑制剂(以7004为例)以及Brequinar derivatives与DHODH 的作用方式,如图5所示。图5表明抑制剂7004与DHODH的结合方式是与A771726与DH ODH的结

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第6期 李顺来等:COX 2/DHO DH双重抑制剂存在可行性的初步对接虚拟筛选研究

图4 虚拟筛选得到高分抑制剂分子结构类型

Fig.4 Structures of t he top scored compounds fro m v irtual screening

合方式有所不同的,而采取了一种类似Brequinar derivatives与DHODH的结合方式[2]。研究也表明,如图5(d)所示7004的对接结构(细键形结构)与复合物晶体结构1d3h和1d3g中A771726和Bre397(粗键形结构)的DH ODH活性空腔的位置以及取向(pose)是一致的,另外从图5(a)、(b)和(c)可以发现A771726、抑制剂7004以及Bre397与DHODH的疏水亲合作用也类似,但三种抑制剂与DHODH的氢键作用则有区别。A771726由于其扁平结构,伸展比较自由,它与DH ODH作用,主要依靠其分子结构末端的!OH氧与图5(d)右下方的DHODH氨基酸片段Tyr356的!OH之间的强的氢键作用;Bre397由于其不同的结构,它与DH ODH 作用时,则主要依靠其分子结构末端的O氧与图5(d)左下方DHODH氨基酸片段Arg136以及Gln 47的!NH2之间的强的氢键作用;抑制剂7004则类似Bre397,以其分子结构的磺酰氨基的氧(从图5d可以看到磺酰基的方向与Bre397中羧基的方向完全一致)与氨基酸片段Arg136的!NH2之间, !NH2与Pro52的氧之间形成强的氢键作用。更深入的研究发现,抑制剂7004采取类似Brequinar derivatives而不类似来氟米特代谢产物与酶的结合方式,主要原因可能与其?勾形#结构有关,由于图5 (

d)中右上方占据有氨基酸片段,与这种?勾形#结构

图5 A771726、7004以及B re397与DHODH相互作用图

F ig.5 Interactions of A771726,inhibito r7004and

Bre397bound to the DHODH

会有空间效应,导致不可能有类似A771726的取向(pose)的存在,但图5(d)中左上方比较空旷,7004

28

北京化工大学学报 2008年

的第二个苯环可以摆向这个方向,从而允许有类似Brequinar derivatives 的取向(pose)的存在。这也可以从理论上进一步表明,三环COX 2抑制剂有可能通过类似Brequinar derivatives 与DHODH 的方式与DHODH 结合,应该可能具有DHODH 抑制活性。参考文献:

[1] Kurumbail R G,Stevens A M ,Gierse J K ,et al.Struc

tural basis for selective inhibition of cycloox ygenase 2by anti inflammatory agents[J].Natur e,1997,384:644-648.

[2] L iu S,N eidhar dt E A ,Grossman T H,et al.Str uctures

of human dihydroorotate dehydrog enase in complex with antiproliferativ e agents [J].Structure Fold Des,2000,8:25-33.[3] L yne P D.

Structure based vir tual screening:

An

overview [J].Drug Disco v T oday,2002,7:1047-

1055.

[4] Zsolt Z,Darryl R,Aniko S,et al.eH iT S:A n innovative

approach to the docking and scor ing function pr oblems [J].Current Protein and Peptide Science,2006,7:421-435.

[5] Zsolt Z,Dar ryl R ,Aniko S,et al.eHiT S:A new fast,

exhaustive flex ible lig and do cking system[J].J Mo l G rap

Mode,2007,26(1):198-212.

[6] T mea P ,Csaba M ,Istvn S,et al.Impact of Ligand

Protonation on

V irtual

Scr eening

against Secretase

(B ACE1)[J].J Chem Inf Model,2007,47(6):2366-

2373.

[7] Englebienne P,F iaux H,Kuntz D,et al.Ev aluation of

docking programs for pr edict ing binding of Golg i alpha mannosidase I I inhibitors:A comparison w ith crystallo g raphy[J].Proteins,2007,69(1):160-176.

[8] Carlson R P.N ew er immunosuppr essive dr ugs and other

ag ents for the tr eatment of rheumato id arthritis A n up date[J].Ex p Opin Invest Drugs,1995,4(9):853-859.

[9] Elizabeth A K,P hilip T H,David P K ,et al.Sy nthesis,

Structure A ctivity Relationships,

and Pharmacokinetic

Properties of Dihydroo rotat e Dehydrogenase I nhibitors:2 Cyano 3 cyclopropyl 3 hydr oxy N [3? methyl 4? (tri fluorometh yl)phenyl] propen amide and Related Com pounds[J].J M ed Chem,1996,39(23):4608-4621.[10]T hompso n M. A.Ar gusL ab 4.0.1[CP /OL ].Seattle,

WA :Planaria Softw are LL C,2004,[2007 03 28].http:%ww w.ar https://www.360docs.net/doc/f43431131.html,.

[11]Wallace A C,Laskowski R A,T hornton J M.L IGPL OT :

A program to generate schematic diag rams of protein lig and interactions[J].Prot Eng ,1995,8:127-134.

Feasibility study of the existence of dual inhibitors of

COX 2/DHODH based on virtual screening

LI ShunLai LI XiuYan DU HongGuang

(School of Science,Beijing Un i versity of Chemical T echnology,Beijing 100029,China)

Abstract :A feasibility study of the ex istence of dual inhibitors of COX 2/DH ODH has been ex plored for the first time.We constructed a database w ith inhibitor structures and activities (IC 50or log1/C)using 773inhibitors of

COX 2.Based on the crystal structure of DH ODH (PDB code:1d3h),virtual screening w as performed ag ainst the constructed database.Taking into account docking energy and the molecular activities of COX 2,some com pounds were selected.It was found that the inhibitors of series 25000,7000,26000and 33000are possible dual inhibitors of COX 2/DHODH and the compounds 25002,7004,7006,in particular,have potential value for re al bioassays.

Key words :COX 2;DHODH ;dual inhibitors;virtual screening

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