實驗八甾體化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系

實驗八甾體化合物的三維定量構(gòu)效關(guān)系一比較分子場分析Experiment8.3D-QSAR:ComparativeMolecularFieldAnalysis

(CoMFA)ofSteroids8.1目的要求Purpose（1）了解定量構(gòu)效關(guān)系的種類及方法。（2）掌握比較分子場分析（CoMFA）方法的基本原理及計算步驟。（3）深入理解所得構(gòu)效關(guān)系結(jié)果并能根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計新化合物。（4）本實驗5學(xué)時。8.2背景介紹BackgroundInformation8.2.1定量構(gòu)效關(guān)系方法及種類定量構(gòu)效關(guān)系（quantitativestructure-activityrelationships,QSAR分析是指利用理論計算和統(tǒng)計分析工具來研究系列化合物結(jié)構(gòu)（包括二維分子結(jié)構(gòu)、三維分子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)）與其生物效應(yīng)（如藥物的活性、毒性、藥效學(xué)性質(zhì)、藥物代謝動力學(xué)參數(shù)等）之間的定量關(guān)系，它是藥物研究中的一種重要理論計算方法和常用手段。定量構(gòu)效關(guān)系可分成兩類：二維定量構(gòu)效關(guān)系（2D-QSAR）和三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR）。傳統(tǒng)的二維定量構(gòu)效關(guān)系方法很多，有Hansch法［1］、模式識別Free-Wilson法［2］、電子拓撲法［3］等，其中最為著名、應(yīng)用最為廣泛的是Hansch法，它假設(shè)同系列化合物某些生物活性的變化是和它們的某些可測量的物理化學(xué)性質(zhì)的變化相聯(lián)系的。這些可測量的特性，包括疏水性、電性、空間立體性質(zhì)等，用相應(yīng)的分子參數(shù)來表示，通過定量方式來回歸其與活性的相關(guān)性。三維定量構(gòu)效關(guān)系則考慮了生物活性分子三維構(gòu)象性質(zhì)，在QSAR分析中引入了與生物活性分子三維結(jié)構(gòu)相關(guān)的量作為變元descriptor），與2D-QSAR方法相比，能夠更為精確地反映生物活性分子與受體之間的非鍵相互作用特征，從而更深刻地揭示藥物受體相互作用機理。最典型的三維定量構(gòu)效關(guān)系方法包括分子形狀分析（molecularshapeanalysis,MSA）［4］，距離幾何法（distancegeometry,DG）［5］和比較分子場分析（comparativemolecularfieldanalysis,CoMFA）［6］，其中CoMFA是目前最成熟且應(yīng)用最廣泛的方法。本實驗主要應(yīng)用CoMFA方法對21個甾體化合物進行三維定量構(gòu)效關(guān)系研究。8.2.2甾體激素甾體激素［7］以極低的濃度（0.1?1.0nmol/L）存在于體內(nèi)，與靶細胞內(nèi)特定受體結(jié)合后，引發(fā)相應(yīng)的激素效應(yīng)。甾體（steroids）母核是由A、B、C、D四個環(huán)兩兩相鄰并合而形成的環(huán)戊烷并多氫菲結(jié)構(gòu)，含17個骨架碳原子。其中A/B、B/C和C/D分別在C5/C10、C8/C9和C13/C14處并環(huán)。天然甾體化合物的C10和C13上可帶有甲基，C17上可連接側(cè)鏈。8.3實驗原理ExperimentalPrinciples配體分子與受體之間的可逆相互作用主要是通過非共價結(jié)合，如范德華相互作用、靜電相互作用、氫鍵相互作用和疏水相互作用而實現(xiàn)的。作用于同一受體相同作用位點的一系列配體分子，它們與受體之間的各種作用力場應(yīng)該具有一定的相似性。這樣，在不了解受體三維結(jié)構(gòu)的情況下，研究這些配體分子周圍的力場分布，并把它們與配體的活性數(shù)據(jù)定量地聯(lián)系起來，既可以推測受體活性位點的某些性質(zhì)，又可以依此建立一個定量模型設(shè)計新化合物，并定量地預(yù)測化合物的活性，這便是CoMFA的物理基礎(chǔ)。CoMFA計算可以大致分為以下四個步驟(見圖8-1)：確定研究體系各個化合物的藥效構(gòu)象，根據(jù)合理的重疊規(guī)則，把它們重疊在一個包含全部化合物分子的空間網(wǎng)格上。計算化合物周圍各種作用力場的空間分布。根據(jù)研究對象及生物活性特征，選擇合適的探針原子或基團，計算探針原子或基團在每個空間網(wǎng)格點上與各個藥物分子的相互作用能一般為靜電場和立體場，有時也包括疏水場和氫鍵場)。它們和各化合物的生物活性構(gòu)成CoMFA的QSAR表。把步驟(2)計算得到的分子場能數(shù)值作為自變量，把分子的活性作為因變量，通過偏最小二乘(PLS)方法結(jié)合交叉驗證來確定最佳主成分；基于最佳主成分，采^LS建立化合物活性和分子場特征之間的關(guān)系，確定CoMFA方程。做CoMFA系數(shù)圖，從系數(shù)圖上可以清楚地看到哪些地方的力場分布強弱對生物活性產(chǎn)生影響，據(jù)此可以設(shè)計新化合物。.+電日(P098)+…場能98(PO9S)，p，l：一Bio場能】(POOiJCoKIFA系數(shù)圖Bia=y^a^POOl)+a2(P002)+u空間啊格點分布Q加表Figure8-1.Proceduresofcomparativemolecular.+電日(P098)+…場能98(PO9S)，p，l：一Bio場能】(POOiJCoKIFA系數(shù)圖Bia=y^a^POOl)+a2(P002)+u空間啊格點分布Q加表Figure8-1.Proceduresofcomparativemolecularfieldanalysis8.4.2分子信息表(MolecularSpreadsheetMSS)的生成本實驗從文獻中搜集了21個具有甾體骨架的化合物組成訓(xùn)練集，它們的活性數(shù)據(jù)均來源于同一藥理模型，其結(jié)構(gòu)及l(fā)og(1/【C＞值見圖8-2：17ohpregnenlone6.36aldosterone5.32androstanediol9.11androstanedione7.46corticosterone6.34cortisol6.20androstenediol9.18androsterone7.15cortisone6.43dehydepiandrstrone7.82deoxycorticosterone7.38deoxycortisol7.20estriol6.63estronecorticosterone6.34cortisol6.20androstenediol9.18androsterone7.15cortisone6.43dehydepiandrstrone7.82deoxycorticosterone7.38deoxycortisol7.20estriol6.63estrone8.18dihydrotestosterone9.7企stradiol8.83etiocholanolone6.1hydroxyprog7.00pregnenolone7.15progesteronete94osterone9.20Figure8-2.Thestructuresandlog01/Hluesof21steroidsselectedinthetrainingset在進行CoMFA計算之前，需要事先建立保存有訓(xùn)練集化合物三維結(jié)構(gòu)及活性信息的分子信息表(MolecularSpreadsheetMSS)。建立過程大致可以分為兩個步驟，首先建立包含這21個化合物三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫文件，將其導(dǎo)入MSS，然后再將活性數(shù)據(jù)輸入或者導(dǎo)入。建立數(shù)據(jù)庫文件時，打開菜單File>Database>New...新建數(shù)據(jù)庫，在彈出的NewDatabase窗口中將新數(shù)據(jù)庫命名為jac.mdb。打開菜單Build/Edit>SketchMolecule，按照圖8-2所示結(jié)構(gòu)式，在sybyl窗口中搭建出分子17ohpregnenlone的三維結(jié)構(gòu)。搭建完畢之后，注意給分子加上氫原子。然后打開Compute菜單，選擇Charges>Gasteiger-Huchel，為分子加上電荷。選擇Compute菜單中的Minimize.采用分子力場的方法對小分子進行能量優(yōu)化。優(yōu)化時采用默認參數(shù)。優(yōu)化完畢之后，可以看到窗口中的分子鍵長、鍵角都發(fā)生了變化，構(gòu)象更加合理。再次打開Build/Edit菜單，選擇NameMolecule.，在彈出的對話框中輸入“17ohpregnenlone”作為化合物的名稱，點擊OK關(guān)閉對話框。然后打開菜單File>Database>PutMolecule.將化合物存入之前新建的jac.mdb數(shù)據(jù)庫。按照相同方法，將圖8-2中的21個化合物分別搭建、命名完畢，并保存入數(shù)據(jù)庫jac.mdb中。（提示：因為這21個化合物的結(jié)構(gòu)相似，在搭建分子結(jié)構(gòu)時，可以在前一個化合物的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行修改，以便減少工作量。）在進行CoMFA計算之前，要將數(shù)據(jù)庫中各個化合物進行疊合。疊合通?？梢圆扇「鶕?jù)訓(xùn)練集化合物結(jié)構(gòu)骨架、分子對接構(gòu)象或者藥效團模型疊合等方式進行。需要注意的是，分子疊合對CoMFA計算結(jié)果影響很大，要根據(jù)具體情況采取適當(dāng)?shù)姆绞竭M行。本實驗中，由于分子的結(jié)構(gòu)骨架均為甾體母核，因此可以采用骨架疊合的方式。Sybyl提供了對數(shù)據(jù)庫中的多個分子進行骨架疊合的工具。打開菜單File>AlignDatabase.，在彈出的對話框中將DatabasetoAlign設(shè)定為jac.mdb，將TemplateMolecule設(shè)定為該數(shù)據(jù)庫中第三個分子androstanediol（圖8-2中第一行第三個分子），將CommonSubstructure設(shè)定為訓(xùn)練集化合物士5力、士E由""甘心-結(jié)構(gòu)骨架中的公共部分：-■■（該子結(jié)構(gòu)需要事先在3D窗口中繪出，其構(gòu)象與androstanediol相同），其他參數(shù)不變，點擊Go，開始進行疊合，最后將疊合好的分子保存在新生成的數(shù)據(jù)庫文件jacs.mdb中。下一步，建立MSS，并將結(jié)構(gòu)式導(dǎo)入。單擊進入菜單Tools>>QSAR>>NewSpreadsheet在彈出的Option對話框中選擇Database作為數(shù)據(jù)來源，在適當(dāng)路徑中指定jacs.mdb，點擊窗口左下角的Open按鈕，將其導(dǎo)入新生成的分子信息表。表中的每一行對應(yīng)一個化合物。最后一步，是輸入各個化合物的活性數(shù)據(jù)。輸入活性數(shù)據(jù)時可以在MSS表格中添加活性數(shù)據(jù)列，然后在每個化合物對應(yīng)的行末尾逐個輸入數(shù)值。本實驗中的活性數(shù)據(jù)已保存在單獨的文件中，可直接將其導(dǎo)入MSS即可。單擊進入新生成MSS的菜單File>>Import，在適當(dāng)路徑下找到tbg.tsv文件，點擊OK，進入MSSImport窗口，將ImportFormat設(shè)置為DelimitedbyTab,將Filecontainscolumnnames和Filecontainsrownamesinfield1兩個選項選中。MSSImport參數(shù)設(shè)置情況見圖8-3。輸入的活性數(shù)據(jù)為各個化合物的log（1/IC50）值，因此數(shù)值越大，表明該化合物的活性越強。

Figure8-3.TheparametersspecifiedinMSSImportdialogAddFigure8-3.TheparametersspecifiedinMSSImportdialogAddNewCuMFJlCM此咀CuMiifs:叫孑Q.Qkeal/mbollEleerEF^s-tati^:0kcaUmoll?SmoothAbruptRSegioM：?Cea.腕AurtomartCuMiifs:叫孑Q.Qkeal/mbollEleerEF^s-tati^:0kcaUmoll?SmoothAbruptRSegioM：?Cea.腕Aurtomart低削ly*IJ馳EximtkibgRegioh戲岫』jd蝴臨JJUseExternillF誦Id，」UseSwc^dAJiginimtntsLCchuMnEHHeip_JField強血eTypsefs):IBofh—iIDhebcHiriczIDi&tssnr&B-jISmoothing:Nme—■|□mp曰ectrostatics:F^WhinSterfeCutoffforEachRowj|Figure8-4.TheparametersspecifiedinAddNew添加CoMFA力場的計算過程大致可以分成兩個部分:首先需要掃描全部分子所在空間，從而確定空間網(wǎng)格所在區(qū)域;然后用探針分子在網(wǎng)格上移動，計算超過33000次探針與化合物的相互作用能。單擊分子信息表的第二列表頭，將整個第二列單元格選中，點擊分子信息表左上角AutoFill按鈕，在彈出的Option窗口中選擇數(shù)據(jù)類型為CoMFA，點擊OK鍵，進入AddNewCoMFAColumn參數(shù)設(shè)置對話框，采用如圖8-4所示默認設(shè)置，為分子所在空間添加靜電場和立體場，分子所在空間由程序自動識別。點擊AddColumn按鈕，在MSS的第二列添加上CoMFA場能相關(guān)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)數(shù)值大小顯示了探針與化合物所占空間內(nèi)部網(wǎng)格相互作用數(shù)目。8.4.4擬合計算為了確定得到的模型是否有預(yù)測能力，并且確定擬合最佳模型所需要的主成分數(shù)（components），需要先初步擬合并交叉驗證。主成分數(shù)的大小描述了模型的復(fù)雜程度，主成分數(shù)越大模型越復(fù)雜。點擊MSS表QSAR菜單，選擇PartialLeastSquares（偏最小二乘法），彈出PartialLeastSquaresAnalysis對話框。其中用于擬合的數(shù)據(jù)列名稱可由程序自動識別驗證方法Validation選擇Leave-One-Out（留一法），交叉驗證組分數(shù)Components設(shè)置為5，其他參數(shù)設(shè)置情況如圖8-5所示：

ActualColumnCouiraL-耐劇此him度：LofallAnalysisFlame:JACG_11RunInBatchINEl:batch?.?F妣OoPLSEfidH啤vCross-VsiiidlatcScaling:CoMFAStandardivBootstraphl?groups^TBG.COHF電I*DepeHdentCoinminis:fTBGVsNidatioNCcmporiBnits:wNoValMation?Ci>nM)onienU?Leave^One-OiutJU部^TBG.COHF電I*DepeHdentCoinminis:fTBGVsNidatioNCcmporiBnits:wNoValMation?Ci>nM)onienU?Leave^One-OiutJU部SM1PLS設(shè)置完畢之后，點擊對話框左下角DoPLS進行計算。計算信息及結(jié)果在程序文本窗口中滾動顯示。所顯示最后幾行信息中含有關(guān)于交叉驗證的重要結(jié)果，包括交叉驗證的2值，以及交叉驗證的最佳主成分數(shù)等。交叉驗證的r2值大于0.6則一般可認為得到的模型較好，當(dāng)r2小于0.4時則認為結(jié)果較差。當(dāng)通過交叉驗證確認擬合結(jié)果具有一定活性預(yù)測能力之后，可用所確定的最佳主成分數(shù)進行擬合，從而得到最佳模型。將PartialLeastSquaresAnalysis對話框中的驗證方法Validation設(shè)置為NoValidation（進行不帶任何驗證的偏最小二乘法擬合計算）components數(shù)目設(shè)置為交叉驗證所確定的最佳主成分數(shù)。其他參數(shù)仍采用默認值，如爵-6所示：PiirliiilLAnalvsisColuirnnstoUse:；TBG.COHPADEppndEntColuinnins:{TBGValidabiion4INIoi*司13加如nwILe^ve-One-OutwBootsibrapJPiirliiilLAnalvsisColuirnnstoUse:；TBG.COHPADEppndEntColuinnins:{TBGValidabiion4INIoi*司13加如nwILe^ve-One-OutwBootsibrapJ偵成$如護L$groupsj法mn辱*ComponentsScaling;CoMFASUindard-jy成I底機呻5涂時％■JCoimpomiBinilts:Maeilne:頃cal-■|JRuninBatchhJetbateh...Analysisjacs_2xEndH郵ColumnFiltering:ActualColumnCcunl...DoPLSFigure8-6.TheparametersspecifiedinPartialLeastSquaresAnalysisdialog與之前一樣，計算信息及結(jié)果在程序文本窗口中滾動顯示。文本中描述了此次擬合的StandardError、R2、Fvalue等指標(biāo)。擬合完成之后，點擊PartialLeastSquaresAnalysis對話框下方的End按鈕，關(guān)閉窗口。8.4.5CoMFA結(jié)果觀察及分析單擊進入MSS窗口中的菜單QSAR>>ViewQSAR>>CoMFA彈出ViewCoMFA對話框，按照圖8-7所示進行設(shè)置，將CoMFA結(jié)果以圖形的形式顯示在sybyl窗口中。,PLS麗掘31，TWOStCfl^Coeff-i|JDzn^cundNoSuftatleSetectoni1CaMTOURSPECIFICAHOMSCcmlourb^>:ConlributlcniDisplaySdld1TYPEOFFIELDFDLi18PLAYTYPEOFFIELDFDLi18PLAYBLe(Favored):■5h?Pied(DsUvcred):?Ek而ne枷血1品戲AtmlhD1-J-JSht^yCcoqpQundh:5hawAQuitu.i:5hawAQuitu.i:Figure8-7.TheparametersspecifiedinViewCoMFAdialog.CoMFA等值面圖是由不同顏色折線組成的多面體區(qū)域(見圖8-8),其顏色含義如下：立體場等值面圖中接近綠色區(qū)域的取代基體積越大，而接近黃色區(qū)域的體積越小則對活性越有利；靜電場等值面圖中接近藍色區(qū)域的取代基越是正電性，而接近紅色區(qū)域的取代基越是負電性則對活性越有利。Figure8-8.CoMFAFigure8-8.CoMFAcontourmapsofstericfield(a)andelectrostaticfield(b).同時輸出的還有全部化合物的實測活性與預(yù)測活性關(guān)系曲線(見遂-9)，曲線中的點與化合物一一對應(yīng)，單擊曲線中的點，對應(yīng)化合物結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)在SoMFA等值面中。單擊實測活性最高的化合物(化合物13：dihydrotestosterone)對應(yīng)的點，使其結(jié)構(gòu)與CoMFA等值面圖同時顯示(見圖8-10)。其真實及預(yù)測活性數(shù)據(jù)值則在文本框中顯示。Figure8-9.TherelationshipsbetweentheFigure8-10.TherelationshipbetweenFigure8-9.TherelationshipsbetweentheFigure8-10.Therelationshipbetweenthemostactiveactualandpredictedactivitiesofthe21steroidscompound13andtheCoMFAcontourmaps點擊sybyl程序窗口左側(cè)的回曰快捷鍵，彈出MolecularDisplayOptions對話框，將M2行的AtmLbl按鈕設(shè)置為Id，對屏幕中化合物13結(jié)構(gòu)中的每個原子進行編號。觀察H26原子所在區(qū)域，比較接近紅色和黃色等值面，說明在這個位置，電負性和體積較小的取代基比較有利。據(jù)此，可以將《26設(shè)計為F原子，從而得到一個新的化合物。操作方法為：單擊進入Build/Edit>>Modify>>Atom，在彈出的對話框中選擇TYPE，以便對原子種類進行修改。單擊選定H26原子，點擊OK鍵，選擇將其更改為F原子，設(shè)定后點擊OK關(guān)閉窗口。對于新設(shè)計的化合物，可以利用CoMFA結(jié)果對其活性進行預(yù)測。單擊進入Compute>>Charges>>Gasteiger-Marsili計算電荷，選擇Nochangingofformalcharges然后打開Build/Edit菜單，選擇NameMolecule，將新設(shè)計出的化合物命名為dihydrotestosteronex，點擊OK，關(guān)閉窗口。單擊進入MSS表的QSAR菜單，選擇PredictProperty，在彈出的MoleculeExpression對話框中單擊選擇M2：dihydrotestosteronex，然后點擊OK，關(guān)閉窗口。預(yù)測活性數(shù)值將在文本窗口中顯示。學(xué)生可根據(jù)CoMFA計算結(jié)果及上述方法自行設(shè)計新化合物并預(yù)測活性。8.5實驗報告要求ImportantInformationAboutTheReport按附錄3格式，在摘要部分要求用文字簡單概括實驗過程及結(jié)果；在實驗?zāi)康牟糠趾唵握f明實驗的背景、實驗方案及意義；實驗結(jié)果要求給出訓(xùn)練集化合物疊合圖、交叉驗證2值及最佳組分數(shù)、非交叉驗證擬合的StandardError、R2、F值、化合物實際活性和預(yù)測活性關(guān)系曲線圖、立體場和靜電場的CoMFA等值面圖；以及新設(shè)計化合物dihydrotestosteronex與CoMFA等值面疊合圖及其預(yù)測活性數(shù)值。要求在提交實驗報告的同時提交相關(guān)結(jié)果文件的電子版，結(jié)果文件應(yīng)以報告人姓名拼音全拼（多個文件可加數(shù)字編號）命名。8.6思考題Questions（1）如果在進行交叉驗證時，所得的交叉驗證的r2值較差（小于0.4），該如何處理?(2)請根據(jù)CoMFA等值面圖所示結(jié)果解釋化合物1