全 文 ：Vo.l 27 高 等 学 校 化 学 学 报 No. 2
2 0 0 6 年 2月 　 　　　　　CHEM ICAL JOURNAL OF CH INESE UN IVERSITIES　　　　　 　 287 ～ 291
苯并呋喃类 N-肉豆蔻酰基转移酶抑制剂的
三维定量构效关系研究
朱　杰 1 , 盛春泉2 , 张　珉 2 , 宋云龙2 , 陈　军 2 , 余建鑫 2 ,
姚建忠 2 , 缪震元2 , 张万年 2
(1.第二军医大学科研部;2. 第二军医大学药学院 , 上海 200433)
摘要　采用比较分子力场分析法(CoM FA)和比较分子相似性指数分析法 (CoM SIA), 系统地研究了 40个苯
并呋喃类 N-肉豆蔻酰基转移酶(NMT)抑制剂的三维定量构效关系. 在 CoMFA研究中 , 考察了网格点步长对
模型统计结果的影响. 在 C oMSIA研究中 , 研究了各种分子场组合 、网格点步长和衰减因子对模型统计结果
的影响 , 发现立体场 、静电场 、 疏水场和氢键受体场的组合可得到最佳模型. 所建立的 CoMFA和 CoM SIA模
型的交叉相关系数 q2值分别为 0. 759和 0.730, 均具有较强的预测能力. 利用 CoMFA和 CoMS IA模型的三维
等值线图直观地解释了化合物的构效关系 , 阐明了化合物结构中苯并呋喃环上各位置取代基对抑酶活性的
影响 , 为进一步结构优化提供了重要依据.
关键词　苯并呋喃;NMT抑制剂;抗真菌;三维定量构效关系;比较分子力场分析(CoMFA);比较分子相似
性指数分析(CoMS IA)
中图分类号　O641;O621　　　　文献标识码　A　　　　文章编号　0251-0790(2006)02-0287-05
收稿日期:2005-03-30.
基金项目:国家自然科学基金(批准号:30400567)资助.
联系人简介:张万年(1947年出生), 男 , 教授 , 博士生导师 , 从事药物设计与合成. E-m ail:zhangw n@ online. sh. cn
N-肉豆蔻酰基转移酶 (N-Myristoy ltransferase, NMT, 结构见图 1)是一种细胞溶质单体酶 , 它将肉豆
X=Y =Z=H (15);X =F, Y=Z=H (16);X=Z=H , Y=F (17);X=Y=H , Z=F (18*);
X=Y =F, Z=H (19);X=Z=F, Y=H (20);X=Y =Z=F (21);X=F, Y =H , Z=B r(22);
X=Y =H , Z=C l(23);X=CN, Y=Z =H (24);X=Y=H , Z=CN (25)
F ig. 1　Structure s of the compounds in the train ing set and test set(* represent compounds in test set)
蔻酸从肉豆蔻酰 CoA转移至某些真核细胞蛋白或病毒蛋白 N端的甘氨酸上 , 形成 N-肉豆蔻酰化蛋
白 [ 1 ～ 3] . 目前 , NMT已被证实是白色念珠菌 、新型隐球菌等临床重要致病真菌生长和存活所必须的酶 ,
已成为一个极具应用前景的抗真菌药物的作用新靶点[ 4, 5] . 2001年 , Roche公司通过随机筛选发现苯
并呋喃类化合物是高选择性的 NMT竞争性抑制剂. 对其进行结构优化发现 , 该类化合物具有很强的体
内和体外抗真菌活性 , 并且具有抗真菌广谱和毒副作用低等优点 , 有望开发成为新一代抗真菌药
物 [ 6] . 本文采用比较分子立场分析法 (CoMFA)[ 7]和比较分子相似性指数分析法 (CoMS IA)[ 8]系统研究
了 40个苯并呋喃类 N-肉豆蔻酰基特移酶抑制剂 (见表 1和图 1)三维定量构效关系(3D-QSAR), 为该
类化合物的进一步优化设计提供了重要信息.
Tab le 1　Exper im en ta l and ca lcu lated ant ifungal activity(pIC50) of compounds in train ing se t and te st se t
C om p. 　Obs. CoMFA
C alc.
CoMS IA
Ca lc.
Com p. Obs.
C oM FA
C alc.
CoMS IA
C alc.
Com p. Ob s.
C oM FA
C alc.
C oM SIA
C alc.
1 - 0.644 - 0. 598 - 0. 624 15 1. 143 1.284 1. 149 28* 2. 456 2. 686 2.571
2 - 0.230 - 0. 483 - 0. 170 16 2. 081 2.030 2. 103 29 3. 409 3. 104 3.304
3 - 0.204 - 0. 300 - 0. 380 17 0. 959 1.218 1. 101 30 1. 367 1. 328 1.415
4 - 2.756 - 2. 784 - 2. 811 18* 2. 284 2.054 2. 801 31 1. 041 1. 132 1.333
5 - 0.519 - 0. 419 - 0. 411 19 2. 432 2.094 2. 308 32 2. 699 2. 434 2.382
6* 1.000 - 0. 044 0. 716 20 2. 125 2.020 2. 146 33 3. 149 3. 350 3.287
7* - 2.732 - 2. 635 - 3. 186 21 2. 244 2.116 2. 365 34* - 0. 146 - 0. 081 - 0.043
8 - 1.000 - 1. 086 - 1. 009 22 1. 553 1.962 1. 569 35 2. 886 2. 655 2.752
9 - 0.644 - 0. 686 - 0. 732 23 1. 137 1.516 0. 971 36 3. 398 3. 537 3.464
10 - 1.991 - 1. 781 - 1. 791 24 1. 770 1.776 2. 086 37 2. 886 3. 108 2.889
11 - 1.898 - 1. 772 - 1. 863 25 2. 027 1.592 1. 743 38 3. 237 3. 407 3.207
12 - 0.342 - 0. 520 - 0. 322 26 - 0. 279 0.047 - 0. 322 39 0. 208 0. 102 0.393
13 0.208 0. 511 0. 105 27 1. 328 1.254 1. 394 40 - 0. 079 0. 040 - 0.143
14 - 0.079 - 0. 406 - 0. 196
　　* Rep resen t the com pounds in test se.t
1　实验部分
用于 3D-QSAR研究的数据取自文献 [ 9 ～ 11] . 将 40个化合物随机分成训练组 (35个)和检验组 (5
个 ). 检验组化合物包括了各种结构类型 , 具有代表性. 活性数据采用化合物对白色念珠菌 NMT的抑
酶活性值(IC50 , 单位:μmo l /L)的负对数. 所有化合物活性数据测定方法和条件相同 , 对照品一致. 所
有分子构建 、构象分析 、 CoMFA计算和 CoMS IA计算均在 O rig in 300服务器上 , 采用 Tripos公司的
SYBYL 6. 9
[ 12]商用软件包完成. 计算中选用的各项参数除非特别指明均采用缺省值.
1. 1　分子构建
F ig. 2　Molecu le 35 as a temp late for superim posing by the heavy atom s of the benzofuran ring(A) and
stereoview of the superim posed structure s based on pharm acophoric con forma tion(B)
药效构象的确定是 3D-QSAR研究中至关重要的一个环节. 本文提取了白色念珠菌 NMT晶体结构
复合物 [ 13]中化合物 35的构象作为该类化合物的药效构象 , 并在此基础上构建所有分子. 采用分子力
学方法进行分子优化:SYBYL M/ IN IM IZE , Tripos标准分子力场 , Gaste ige r-Hücke l电荷 , Pow ll能量优
288 高 等 学 校 化 学 学 报 　　　　　　　　　　　　　　　　Vo .l 27　
化方法 , 能量收敛标准为 0.042 kJ /(mo l nm). 将化合物 35作为模板 , 以各分子均具有的苯并呋喃环
上的所有重原子 [图 2(A)]为叠合点进行分子叠合 , 叠合后效果见图 2(B).
1. 2　CoMFA模型的建立
所有化合物中各原子的静电荷类型均为 G aste iger-Hücke l型. 用 SYBYL /CoM FA自动生成的CoMFA
作用区域 , 用一个 sp3杂化的正碳离子对叠合分子外周网格点上的静电场能和立体场能的大小及分布
进行探测 , 静电场能和立体场能的阈值均设为 125.604 kJ /mo.l PLS分析时首先采用 Leave-one-ou t
(LOO)方法进行交叉验证 , 最小过滤值设为 8.374 kJ /mo .l 然后用获得的最佳组分数 (ONC)通过非交
叉验证进行回归计算 , 建立相应的 CoMFA模型. 最后用所建的 CoMFA模型对检验组的 5个化合物进
行活性预测 , 以评价模型的实际预测能力.
1. 3　CoM SIA模型的建立
选取静电场 、立体场 、疏水场 、氢键受体场和氢键给体场考察化合物与受体的相互作用 , 通过考
察不同场的组合寻找具有最好交叉验证系数的分子场. 通过所得最佳场组合 , 进一步研究了网格步长
(0.1 ～ 0.3 nm)和衰减因子 (0.2 ～ 0.4)对 CoMS IA结果的影响. 采用 Leave-one-out(LOO), 用 SAMPLS
方法进行交叉验证 , 得到最佳组分数和交叉验证系数 , 然后进行非交叉验证 , 得到 CoM SIA模型.
2　结果与讨论
2. 1　CoMFA模型
在 CoMFA研究中 , 网格点步长的变化会对模型的建立产生影响. 因此 , 我们选取了 0.1, 0.15,
0.2, 0.25, 0.3 nm五种步长进行了 CoMFA计算. 从 PLS计算结果看 , 不同网格步长对 CoMFA模型的
影响较大 , 其中网格步长为 0.2 nm时得到的结果最为理想 , 其统计学参数如下:交叉验证相关系数
q
2 =0.759, 最佳组分数为 5. 一般认为 q2 >0.5, 则表明由相应变量建立的模型具有较好的预测能力.
由最佳组分数建立的 CoMFA模型的传统相关系数 r2 =0.983, F =335.936, 标准偏差 SD =0.232, 立
体场和静电场的贡献分别为 0.780和 0.220.
2. 2　CoM SIA模型
CoM SIA是一种相对较新的 3D-QASR方法. 与 CoMFA相比 , CoM SIA采用距离相关的高斯函数计
算分子相似性指数 , 并在立体场(S)和静电场(E)的基础上 , 增加了疏水场 (H)、氢键给体场 (D)和氢
键受体场(A), 所得结果受化合物匹配规则的影响相对较小 , 并且能更加直观地解释化合物的构效关
系 [ 8] . 在实际应用中 , 不同的分子场组合适用于不同类型的数据集. 我们对 5种分子场的共计 31种组
合方式均进行了 CoM SIA模型的构建(网格点步长和衰减因子均为默认值 ), 研究发现静电场 、立体场 、
疏水场和氢键受体场的组合所得结果最佳 , 其统计学参数如下:交叉验证相关系数 q2 =0.730, 最佳组
分数为 8. 由最佳组分数建立 CoMFA模型的传统相关系数 r2 =0.993, F =459.466, 标准偏差 SD =
0.158, 立体场 、静电场 、疏水场和氢键受体场的贡献分别为 0.274, 0.175, 0.414和 0.138. 对于
CoM SIA模型 , 网格点步长变化对模型的影响与 CoMFA结果相似 , 当步长为 0.2 nm时所得结果最为理
想. 在 CoM SIA计算中 , 采用高斯函数计算分子的相似性指数 , 函数中的 α称为衰减因子 , 其取值对计
算结果有一定影响 , 其最佳值一般在 0.2 ～ 0.4之间 [ 14] . 衰减因子在 0.2 ～ 0.4范围内 CoMS IA模型均
得到了理想的统计结果 , q2值均在 0.6以上. 当衰减因子为 0.3时 , 得到最佳的 CoM SIA模型.
2. 3　CoMFA和 CoM SIA模型的三维等值线图
图 3为 CoMFA模型立体场和静电场 (均以化合物 33为参考分子)的三维等值线图. 图 3中 a区域
表示该区域增大取代基的体积有利于增加化合物的生物活性 , b区域表示该区域增大立体位阻将降低
化合物的生物活性;静电场图中 c区域表示增加正电荷有利于提高化合物的生物活性 , d区域表示增
加负电荷有利于提高生物活性. 从图 3(A)可以看出 , b区域主要分布在苯并呋喃环 4位侧链吡啶环的
对位 、 3位侧链的甲基和 2位侧链噻唑环 N原子和硫原子附近 , 表明这些位置引入立体基团会导致活
性下降. 例如 , 化合物 6的苯并呋喃环 3位甲基分别被乙基 (化合物 8)、异丙基 (化合物 9)和环丙基
(化合物 10)取代后 , 抑酶活性下降了数 10倍. 白色念珠菌 NMT的晶体结构[ 13]显示 , 苯并呋喃环 3位
289　No. 2 　 朱　杰等:苯并呋喃类 N-肉豆蔻酰基转移酶抑制剂的三维定量构效关系研究
F ig. 3　The con tour p lots of CoM FA ster ic field s(A)
and e lectrosatic f ie ld(B)
甲基与 Tyr 354和 Phe 339残基侧链距离非常近 , 引入
更大的立体基团容易发生立体碰撞 , 导致化合物的活
性下降. 在化合物 28的苯并呋喃环 2位侧链中 , 吡啶
环上再引入三氟甲基 (化合物 30)后活性下降近 12
倍;化合物 36, 37和 38之间也显示了相似的构效关
系. 从白色念珠菌 NMT的晶体结构[ 13]中可以发现 ,
苯并呋喃环 4位侧链吡啶环被 Phe 176, Phe 117和
Ty r 119包围 , 吡啶环对位已没有足够空间再容纳立
体基团. 在化合物 33苯并呋喃环 2位侧链噻唑环 4
位和 5位方向存在面积较大的 a区域 , 说明引入立体
基团有利于提高抗真菌活性. 例如 , 化合物 28和 32在该位置增加 1个甲基后(化合物 29和 33), 抑酶
活性均得到提高. 化合物 35苯并呋喃环 2位咪唑基用苯并咪唑替换后 (化合物 36, 37和 38), 抑酶活
性增强. 在白色念珠菌 NMT的晶体结构中 , 该类化合物苯并呋喃环的 2位侧链处于 Phe 115, Phe 240
和 Phe 339等组成的非常疏水的环境中 , 在该位置引入疏水基团有利于活性增强.
从 CoMFA 模型立体场和静电场的贡献可知 , 静电场的贡献 (0.220)远小于立体场的贡献
(0.780). 从图 3(A)可以看出 , d区域主要分布在苯并呋喃环 2位侧链羰基 C原子 、噻唑环 N原子 、 4
位侧链吡啶氮原子附近 , 这些位置引入电负性基团有利于提高活性. 例如 , 当化合物 6的吡啶环用苯
环替代后(化合物 5), 抑酶活性下降 30多倍. 这主要是由于 4位侧链的吡啶 N原子可以与 Ty r 119侧
链酚羟基的极性 H原子形成氢键所致 , 因此该位置引入的负电性基团最好同时又是氢键受体基团 , 这
样可更好地与靶酶作用. 而化合物 28分子中苯并呋喃环 2位侧链吡啶被苯环取代后 (化合物 40), 抑
酶活性则下降 300多倍. CoMFA静电场等值线图中的 c区域主要分布在苯并呋喃环 4位侧链吡啶环的
一侧 , 2位侧链羰基 O原子和噻唑环 4位甲基附近. 值得注意的是 , 苯并呋喃环 2位羰基 C原子和 O
原子附近分别有 d和 c基团 , 则说明该羰基的存在对活性不利 , 如果将该羰基用其它连接子替换后再
和杂环相连 , 则有可能进一步提高活性. NM T晶体结构显示 , 苯并呋喃环上的 2位侧链的羰基与 A sp
412羧基负离子的距离比较近 , 这可能是羰基存在对活性不利的主要原因.
F ig. 4　The contour p lots of CoM SIA hydrophob ic
f ie ld s(A) and H-bond ing accep tor fie lds(B)
CoM SIA模型中立体场和静电场的三维等值线图与 CoMFA模型基本一致 , 图 4给出了疏水场和氢
键受体场(分别以化合物 36和 33为参考分子)的三维等值线图. 疏水场图中 e区域表示该区域取代基
疏水性增强有利于增加化合物的生物活性 , f区域表示该区域疏水性增强将降低化合物的生物活性;
氢键受体场图中 g区域表示引入氢键受体基团有利于增加化合物的活性 , 而在 h区域表示引入氢键受
体基团对提高化合物的生物活性不利. 从图 4(A)可以看出 , f区域主要分布在化合物 36苯并呋喃环 2
位侧链苯并咪唑上两侧 N原子的附近和 4位侧链氨基和吡啶之间亚甲基附近 , 这些位置的疏水性取代
基对提高活性不利. 例如 , 化合物 1分子中苯并呋喃环 4位侧链异丙基用叔丁基代替(化合物 2)或用
哌啶与 N原子成环(化合物 3)后 , 分子疏水性增强 , 活性下降. 化合物 36的咪唑甲基用异丙基和烯丙
基取代后 , 疏水性增强 , 活性同样下降. 而增强疏水性有利于具有活性的 e区域主要分布在苯并呋喃
环 2位侧链的羰基和苯并咪唑的苯环位置 , 这是由
于 2位侧链处于 Phe 115, Phe 240和 Phe 339等组
成 [ 13]的非常疏水但比较狭窄的环境中 , 在咪唑环
两侧没有足够的空间再引入较大的疏水基团 , 而沿
着咪唑环方向引入疏水性苯环则会增强与靶酶的疏
水相互作用 , 进而增强活性 , 这与立体场三维等值
线图结果一致. 在氢键受体场三维等值线图中 , 引
入氢键受体有利的 g基团主要分布在苯并呋喃环 2
位侧链噻唑 N原子和 4位侧链吡啶 N原子附近 , 而
引入氢键受体基团对活性不利的 h区域位于 4位侧
290 高 等 学 校 化 学 学 报 　　　　　　　　　　　　　　　　Vo .l 27　
链氨基附近. 在白色念珠菌 NMT与化合物 35的复合物晶体结构中[ 13] , 吡啶 N原子作为氢键受体与
Ty r 119形成氢键 , 咪唑 N原子作为氢键受体与 A sn 392形成氢键 , 而氨基部分作为氢键供体与 Leu
451形成氢键 , 这与 CoMS IA氢键受体场等值线图得到的结论吻合.
结合 CoMFA和 CoM SIA模型三维等值线图的结果可以发现 , 在苯并呋喃环的各个位置的取代基
中 , 2位适合引入具有氢键受体基团的疏水性侧链;3位不适合引入大体积基团 , 一般以甲基为佳;4
位侧链具有长度限制 , 氨基是必需基团 , 氨基与苯并呋喃环的 4位间应有 4个原子左右的距离 , 而与
氨基相连的基团最好是具有一定长度的氢键受体基团. 这些结论将为进一步优化结构提供重要信息.
参　考　文　献
[ 1 ] 　Bou tin I. A. . C ell Signa.l [ J] , 1997, 9:15— 35
[ 2 ] 　Faraz iT. A. , W aksm anG. , G ordon J. I. . J. B io.l Chem. [ J] , 2001, 276:39501— 39504
[ 3 ] 　Rajala R. V. , Datla R. S. , Moyan a T. N. et a l. . Mo.l Ce llB ioch em. [ J] , 2000, 204:135— 155
[ 4 ] 　Lodeg J. K. , Jackson-M ach elsk iE. , Toffa letti D. L. et a l. . Proc. N at.l Acad. S c.i U. S. A. [ J] , 1994, 91:12008— 12012
[ 5 ] 　N akayam a H. , M io T. , N agahash iS. et a l. . Infec.t Imm un. [ J] , 2000, 68:6712— 6719
[ 6 ] 　M asubu chiM. , Eb iike H. , Kaw asaki K. et a l. . B ioorg. M ed. Chem. [ J] , 2003, 11:4463— 4478
[ 7 ] 　C ram er R. D. , Patterson D. E. , Bunce J. D. . J. Am. Chem. S oc. [ J] , 1988, 110:5959— 5967
[ 8 ] 　K lebe G. , Ab raham U. , M ietzner T. J. . J. Med. Chem. [ J] , 1994, 37:4130— 4146
[ 9 ] 　M asubu chiM. , K aw asak iK. , Eb iike H. et a l. . B ioorg. M ed. Chem. Let.t [ J] , 2001, 11:1833— 1837
[ 10] 　Eb iike H. , M asubuch iM. , L iu P. et a l. . B ioorg. M ed. C hem. Let.t [ J] , 2002, 12:607— 610
[ 11] 　K aw asak iK. , M asubuch iM. , M orikam iK. et a l. . B ioorg. M ed. C hem. Let.t [ J] , 2003, 13:87— 91
[ 12] 　SYBYL 6. 9[ CP] , S .t Louis:Tripos Associates, Inc. , 2001
[ 13] 　Sogabe S. , M asubuch iM. , Sakata K. et a l. . Chem. Bio.l [ J] , 2002, 9:1119— 1128
[ 14] 　Bohm M. , S tu rzebecher J. , K lebe G. . J. M ed. Chem. [ J] , 1999, 42:458— 477
3D-QSAR Study of a Series of NovelBenzofuran NMT Inhib itors
ZHU Jie
1 , SHENG Chun-Quan2 , ZHANG M in2 , SONG Yun-Long2 , CHEN Jun2 ,
YU Jian-X in2 , YAO Jian-Zhong2 , M IAO Zhen-Yuan2 , ZHANG W an-N ian2*
(1. Departmen t of S cience and R esearch, S econd M ilitary Medica lUniversity, Shanghai 200433, China;
2. School of Pharmacy, SecondM ilitaryM edica lUniversity, Shanghai 200433, China)
Abstract　U sing compara tive mo lecular fie ld analy sis(CoMFA) and comparative mo lecular sim ilarity ind ices
analysis(CoM SIA), th ree dimensiona l structu re-ac tiv ity rela tionship(3D-QSAR) studies we re carried ou t on a
serie s of benzo furanN-myristoy l transferase(NMT) inhibitors. Variation of g rid spacing w as used during the
optim iza tion of the C oMFA mode .l Fo r the CoMS IA study, the influence of the comb ination of different fie ld
types w as evalua ted and the best combina tion w as conside red to be ste ric, e lec trosta tic, hydrophobic and
H-bonding accep to r fie lds. Variation of g rid spacing and attenuation fac to r w as used to obtained the best
CoM SIA mode.l The resu lting CoM FA and CoM SIA mode ls had a cross va lidated coeffiecien t(q2) o f 0.759
and 0.730 respective ly, which show ed a strong predictive ability on bo th te st-se t and tra in ing-se.t The tri-
dimensiona l con tourmaps of CoMFA and CoM S IA provided smooth and in terpre table exp lana tion of the struc-
ture-ac tiv ity re lationship of the compounds. The analysis of the tri-dimensional contou rmaps perm itted inter-
esting conclusions about the e ffec ts o f different substituents of d iffe rent positions of the benzofuran group on the
antifungal activity, which w ill guide the design of nove lNMT inh ib ito rs w ith a higher ac tiv ity.
Keywords　 Benzofuran;NMT inhibitors;Antifungal;3D-QSAR;Comparative molecu lar fie ld ana ly sis
(CoMFA);Comparativemo lecular sim ila rity indices analysis(CoM SIA)
(Ed. :I, X)
291　No. 2 　 朱　杰等:苯并呋喃类 N-肉豆蔻酰基转移酶抑制剂的三维定量构效关系研究