劉永香，施海楓

（廣西師范學院，廣西 南寧 530001）

基于TopomerCoMFA方法的姜黃素類化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系研究

劉永香，施海楓

（廣西師范學院，廣西 南寧 530001）

易位體比較分子場（TopomerCoMFA）是一種快速、基于片段分析、可以用于預測官能團、優(yōu)化生物活性或結(jié)構(gòu)的3D-QSAR方法。采用TopomerCoMFA對20個姜黃素及其類似物進行三維定量構(gòu)效關(guān)系研究，建立有效的TopomerCoMFA模型，其交叉驗證相關(guān)系數(shù)q2=0.593，非交叉相關(guān)系數(shù)r2=0.995，表明該模型合理、可信，并具有良好的預測能力。

易位體比較分子場（TopomerCoMFA）；姜黃素類似物；抗腫瘤活性；定量構(gòu)效關(guān)系

姜黃素(curcumin)是一種天然酚類色素，廣泛存在于姜科姜黃屬植物姜黃、莪術(shù)、郁金等的根莖中。姜黃素具有抗炎、抗腫瘤、抗突變、抗氧化、保肝、保護DNA免受過氧化損傷等[1-5]廣泛的藥理作用, 且毒性很低, 越來越受到醫(yī)藥工作者的重視。美國國立腫瘤所已將其列為第3代癌化學預防藥物。本實驗利用Tripos公司Sybyl2.0-X軟件包中的TopomerCoMFA方法對20個姜黃素類化合物進行了三維定量構(gòu)效關(guān)系研究,獲得該類化合物的結(jié)構(gòu)與活性之間的構(gòu)效關(guān)系,為設計合成新型姜黃素類抗癌藥物提供幫助。

1 研究方法

1.1易位體比較分子場

易位體比較分子場（TopomerCoMFA）是一個能夠自動生成3D-QSAR模型并且可以預測化合物生物活性或性質(zhì)的工具。TopomerCoMFA是由Cramer等人[6]基于二維片段分析開發(fā)的新型3D-QSAR工具。Topomer被描述成一個分子片段，把整個配體分子看作是可分割的若干片段的集合。Topomer-CoMFA結(jié)合了3D-QSAR構(gòu)建技術(shù)和基于配體的虛擬篩選技術(shù)，熟練操作后可在短時間內(nèi)構(gòu)建3DQSAR模型，具有便捷、快速、準確的特點。所建立的模型可以支持基于配體的虛擬篩選以及對配體分子的官能團（R-group）進行優(yōu)化。不同于CoMFA和CoMSIA，TopomerCoMFA是通過一系列完全客觀一致的疊合規(guī)則完成3D-QSAR分析的準備工作。此外，TopomerCoMFA與CoMFA相比，還具有重復性高的優(yōu)勢。利用TopomerCoMFA可快速建立預測模型并進行分析與評價，為同類小分子抑制劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1.2化合物小分子的搭建

利用SYBYL2.0-X的分子繪圖功能繪制出化合物所包含的小分子結(jié)構(gòu)。此時構(gòu)建的分子是二維平面結(jié)構(gòu)。為了得到三維分子結(jié)構(gòu)，需要將構(gòu)建好的分子進行能量最小化。加載Gasteiger-Huckel電荷，然后使用標準的Tripos力場和powell能量梯度算法，迭代1000次，能量收斂限定設為0.01kJ·mol-1，能量最小化后即得到化合物分子的最低能量構(gòu)象。

1.3化合物分子斷裂方式

TopomerCoMFA建立模型過程中，斷裂方式的選擇會大大影響模型的質(zhì)量。在本實驗中，選擇的是將每個化合物斷裂為兩部分的斷裂方式，即每個分子選擇一個斷裂位點，如圖1。

圖1 斷裂結(jié)構(gòu)及相應位置Fig.1 The structure indicating the fractural position

1.4TopmerCoMFA模型的建立

TopomerCoMFA不同于CoMFA和CoMSIA方法，它不是采用基于骨架或場的三維結(jié)構(gòu)疊合，而是在來源化合物庫的基礎(chǔ)上根據(jù)生物活性數(shù)據(jù)與化合物結(jié)構(gòu)自動生成預測模型[7]。TopomerCoMFA的標準流程可分為兩個步驟。第一步是生成訓練集分子結(jié)構(gòu)片段的Topomer的三維模型。對每一個化合物來說，TopomerCoMFA可將其分為兩個或兩個以上的片段。確認化合物結(jié)構(gòu)的斷裂方式后，Topomer-CoMFA可以自動識別結(jié)構(gòu)片段的化學結(jié)構(gòu)和電荷排布。第二個步驟是采用偏最小二乘法分析（PLS）[8]，首先通過抽一法（Leave-One-Out）進行交叉驗證的CoMFA分析，形成一個預測模型。在生成模型的過程中，CoMFA方法可處理大量數(shù)據(jù)客觀分析和自動匹配相應的化合物結(jié)構(gòu)，以使TopomerCoMFA形成的預測模型更有效。根據(jù)交叉驗證得到的最佳主成分數(shù)，進行非交叉驗證回歸，建立回歸模型的表達式。同時，得到非交叉驗證相關(guān)系數(shù)r2，預測值的標準誤差SEE（standard error of estimate），以及顯著性檢驗F。交叉驗證系數(shù)q2越大，相關(guān)系數(shù)r2越大，SEE越小，表示相關(guān)性越好，方程的預測能力越強。而F主要用于判斷樣本間是否有顯著差別，其值越大，說明差別越顯著。對于TopomerCoMFA模型，q2、r2越大越好，而q2的標準誤差（q2stderr）和r2的標準誤差（r2stderr）越小證明模型質(zhì)量越高。

表1 化合物的結(jié)構(gòu)和生物活性數(shù)據(jù)[9]Table l Thestrueture and biological activity data of the compound

2 結(jié)果與討論

2.1TopmerCoMFA模型的統(tǒng)計結(jié)果及預測能力

TopomerCoMFA模型的統(tǒng)計學參數(shù)為交叉驗證相關(guān)系數(shù)q2=0.593，最佳主成分值為5，q2大于0.5，說明通過交叉驗證所得到的統(tǒng)計結(jié)果能夠反映模型有可信的預測能力。非交叉驗證PLS分析產(chǎn)生的r2=0.995，很接近于1，同時預測值的SEE為0.039，q2stderr=0.35，r2stderr=0.04，證明所建立的模型具有很高可靠性；F檢驗值為537.099大于F表值，說明實驗樣本之間活性數(shù)據(jù)存在顯著差異，表明TopomerCoMFA方法所得到的模型有很好的相關(guān)性和預測能力。最后用獲得的模型對原20個化合物進行預測，預測結(jié)果見表1，用實驗值和預測值進行線性分析，結(jié)果見圖2，實驗值和預測值所對應的散點均勻地分布在直線附近，相關(guān)系數(shù)0.99719，這進一步證明了所做模型具有可靠的預測能力。

圖2 TopomerCoMFA模型的實際值與預測值散點圖Fig.2 Plots of experimental and predicted activities based on the Topomer CoMFA model

2.2TopomerCoMFA等勢圖分析

圖3顯示了化合物19的分子片段的立體場和靜電場的等勢圖。作為一種定量構(gòu)效關(guān)系方法，TopomerCoMFA可以產(chǎn)生類似CoMFA等勢圖。圖3（a）為立體場等勢圖，在綠色模塊處引進大分子基團有利于分子活性的增加，而在黃色模塊引進大分子基團不利于分子活性的增加；圖3（b）為靜電場等勢圖，藍色多面體表示引入帶正電荷的基團有利于小分子抑制活性，而紅色的多面體代表引進帶負電荷的基團有利于化合物抑制活性增加。由圖3（a）可以看到一個大型的綠色輪廓包裹了苯環(huán)的R3取代基，在R1、R5取代位點也各有小塊的綠色區(qū)域，表明在這3個區(qū)域中，可以通過引進大分子基團以增加分子的活性。而黃色的多角體覆蓋的區(qū)域則表明，苯環(huán)上的R2、R4位點不利于大分子基團的引入。中間碳鏈處亦出現(xiàn)小塊黃色區(qū)域，說明了中間碳鏈不宜過長。觀察化合物19（pIC50=6.30）的結(jié)構(gòu)，該化合物的R1、R3、R5都被甲氧基取代，而R2、R4上沒有取代基，這可以解釋為什么化合物19具有較高的活性。圖3（b）是化合物19 的靜電場等勢圖，在R1、R5位點都出現(xiàn)了大塊的紅色模塊，R3位點在甲氧基的O附近也有小塊紅色區(qū)域出現(xiàn)，說明這3處甲氧基的引入都是有利于增加化合物抑制活性的。藍色區(qū)域出現(xiàn)在R3取代基甲氧基的末端甲基上，說明在該甲基上取代1個帶正電的基團，或者把該甲基換成帶正電的基團將有利于化合物活性的增加。在分子斷鍵的羰基處亦出現(xiàn)了藍色模塊，說明在該處引入正電基團會增加化合物的活性，化合物9的活性大于化合物1（姜黃素）也證明了這一點。從圖3中，我們可以直接觀察到TopomerCoMFA模型的立體場和靜電場顯示的小分子的基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和缺陷，這將對我們設計高活性的姜黃素類似物提供幫助。

圖3 TopomerCoMFA模型對于分子19的等勢圖Fig.3 Contour map of TopomerCoMFA model generated by alignment of compound 19

3 結(jié)論

本文利用TopomerCoMFA對20個姜黃素類化合進行了比較系統(tǒng)的三維構(gòu)效關(guān)系分析，在最佳主成分數(shù)為5時構(gòu)建了可靠的預測模型，交叉驗證相關(guān)系數(shù)q2=0.593，以及非交叉相關(guān)系數(shù)r2=0.995。模型等勢面圖提供了立體場和靜電場的可視化圖像，直觀地揭示了這一系列抑制劑中不同的取代基結(jié)構(gòu)對其生物活性的影響。在苯環(huán)1，3，5位點引入帶電負性的基團，在3位點電負性基團末端增加一正電性基團，在碳鏈中引入正電性基團將有利于化合物抑制活性的增加。

[1] Surh, Y. J. Food Chem. Toxicol., 2002(40): 1091.

[2] Ajaikumar, B. K. Preetha, A. Bharat, B. A. Cancer Letters, 2008(269): 199.

[3] Meghana, M, Sanjeev, G, Ramesh, B. Eur. J. Pharmacol., 2007(577): 183.

[4] Farombi, E. O, Shrotriya, S, Na, H. K. Food Chem. Toxicol., 2008(46): 1279.

[5] Ruby, A. J, Kuttan, G, Babu, K. D, Rajasekharan, K. N, and Kuttan, R. Cancer Lett., 1995(94): 79.

[6] READERJC. Curr Top Med Chem., 2004(4): 671.

[7] CRAMER R D. Journal of Medicinal Chemistry, 2003(46): 374.

[8] CLARK M, CRAMER R D. Quant Struct-ActRel,1993(12): 137.

[9] James R.Fuchs, Bulbul Pandit, Deepak Bhasin, et al. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2009(19): 2065.

Study on Three-dimensional Quantitative Structure-Activity Relationship of Curcuminoids based on TopomerCoMFA Method

LIU Yong-xiang, SHI Hai-feng
(Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

Three-dimensional quantitative structure-activity relationship of 20 curcuminoids and their analogue were studied by TopomerCoMFA. Efficient TopomerCoMFA model were established. The coefficient q2of cross validation was 0.593, and the coeffcient r2of non-cross validation was 0.995. It was showed that this model was reasonable and credible, and had good predictive ability

TopomerCoMFA; curcuminoids; antitumor activity; quantitative structure-activity relationship

TQ 463

A

1671-9905(2014)02-0036-03

2013-12-06