全 文 ：旱生香茶菜二萜化合物细胞毒活性的三维构效研究*
易 平1, 2 , 邱明华1** , 孙汉董1
( 1中国科学院昆明植物研究所, 云南昆明 650204; 2 中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要: 应用比较分子力场法 ( COMFA) 研究了一系列旱生香茶菜二萜化合物对人红细胞白血病 ( K562)、人早
幼粒白血病 (HL-60)、人胃腺癌 (MKN-28) 和人结肠癌 ( HCT) 细胞体外抗肿瘤活性进行了三维定量构效关系
的初步研究, 其结果将为香茶菜二萜的结构修饰和简化, 先导化合物的发现提供理论依据。
关键词: 旱生香茶菜; 对映- 贝壳杉烯型二萜; 细胞毒活性; 三维定量构效关系 ; 比较分子力场法
中图分类号: Q 946 文献标识码: A 文章编号: 0253- 2700( 2006) 01- 095- 05
3D QSAR Studies on Cytotoxin Actives of Ent-kauranoids
from Isodon xerophilus ( Labiatae) by CoMFA
YI Ping
1,2
, QIU Ming-Hua
1**
, SUN Han-Dong
1
( 1 Laboratory of Phytochemistry , K unming Institute of Botany , Chinese Academy of Sciences, Kunming 650204, China;
2 Graduate School of the ChineseAcademy of Sciences, Beijing 100039, China)
Abstract: It is our aim to establish the CoMFA models of the en-t kauranoids from Isodon x erophilus and guide the design for
new ant-i cancer drugs. The advanced 3D-QSAR ( quantitative structure- activity relationship) method CoMFA ( comparative mo-
lecular field analysis) was used to study the QSAR relationship of en-t kauranoids with cytotoxicity activity in vitro and led to four
CoMFA models. The results of CoMFA models reveal the 3D- relationship between bioactivities and structures of these en-t kau-
ranoids, and will be helpful to further design and find new drugs for higher ant-i cancer activities.
Key words: Isodon xerophilus ; En-t kaurenoids; Cytotoxicity; 3D-QSAR; CoMFA
香茶菜二萜化合物的研究, 最早于 1910年, 日
本学者八木 (Yagi, 1910) 从延命草 ( Isodon japonica
Hara) 得到苦味结晶, 虽有众多日本学者的努力,
但直到1964年饭高等用 X-晶体衍射分析, 才确定了
延命素 ( enmein) 的化学结构具有 6, 7-断裂-对映-
贝壳杉烷 (6, 7-seco-en-t kaurane) 的骨架 (Fujita等,
1965, 1966)。我国香茶菜二萜的结构研究始于上世
纪70年代, 孙汉董研究组从抗肿瘤植物冬凌草 ( Is-
odon rubescens) 中分离并鉴定了冬凌草素甲 ( orido-
nin)、乙 ( ponicidin)、丙 ( rubescensin C) 等; 药理
实验证明: 甲素对人食管鳞状癌细胞株 CaES-17有
明显细胞毒活性 (河南省医学科学研究所药理药化
组等, 1978) , 乙素对艾氏腹水癌有明显的细胞毒活
性 (张覃沐等, 1980)。之后该研究组从50余种香茶
菜属植物中分离了550个二萜化合物, 包括430多个
新结构, 4个新骨架类型, 具有显著抗肿瘤活性的
达 20余个, 成为世界香茶菜二萜的研究中心。该研
究组系统深入的研究, 大大丰富了对映-贝壳杉烷类
二萜化合物的内容, 使香茶菜属植物二萜化合物的
结构分类更加清晰, 活性更加明了, 有可能通过三
维构效、药效团分析等计算机辅助药物设计手段达
到简化结构, 明确活性部位, 以发现活性更好、结
构更简的先导化合物。为此我们对旱生香茶菜二萜
化合物的抗肿瘤活性 (孙汉董等, 2001) 进行了三
维构效研究, 发现了具有较好的模型相关性和抗肿
瘤活性的化合物, 并预测了结构, 有进一步研究的
云 南 植 物 研 究 2006, 28 ( 1) : 95~ 99
Acta Botanica Yunnanica
*
** 通讯联系人Corresponding author phone. Tel+ 86- 871- 5223253, Fax: + 86- 871- 5150227. E- mail: mhchiu@ mail1kib1ac1 cn
收稿日期: 2005- 06- 02, 2005- 07- 13接受发表
作者简介: 易平 ( 1974- ) 男, 博士研究生, 主要从事天然药物的计算机辅助设计。
基金项目: 云南省自然科学基金重点项目 ( 2004C0008Z) 资助
价值。本文报道这一研究的初步结果。
1 材料和方法
111 结构优化和数据处理
本文的化合物的结构的输入和优化采用 Cambridgesoft
Chem3D 810, 力场采用 Maximin2。其余工作均在 SGI fuel工
作站和Tripos 公司的 Sybyl 619 软件包完成。计算中除特别
指出外, 所用参数均为缺省值。
香茶菜二萜类化合物的编号和活性数据以专著 5香茶
菜属植物二萜化合物6 报道 ( 孙汉董等, 2001) 的为准,
具有可比性, 活性以测定值- logIC50表示, - logIC50值越大,
表明活性越好。分子结构和活性指标分别列于图 1 和表 1。
表 1 旱生香茶菜总二萜及其化合物的细胞毒活性测试结果及数据预处理
Table 1 Data set for CoMFA analysis with their IC50 ( LM) and pIC50 (M ) values
化合物 K562
IC50 3-logIC50
HL-60
IC50 1-logIC50
HCT
IC50 2- logIC50
MKN-28
IC50 1-logIC50
1 2122 216536 0145 113468 55130 012573 0112 119208
2 0173 311367 0129 115376 61159 012105 0117 117696
3 0183 310809 0147 113279 15138 018130 0146 113372
4 2196 215287 0144 113565 80180 010926 2119 016596
5 138184 018575 3193 014056 ND ND
6 1117 219318 0187 110605 52178 012775 1186 017305
7 2175 215607 0119 117212 ND 0107 211549
8 4126 213706 2108 016819 ND 1154 018125
9 2195 215302 2129 016402 15135 018139 2123 016517
10 8107 210931 2105 016882 61190 012083 1168 017747
11 5120 212840 > 100 13169 018636 0192 110362
12 8100 210969 2182 015498 ND > 100
13 0130 315229 0144 113565 8161 110650 0146 113372
(半数有效抑制浓度 IC50 (LgPml) ; K562 ) ) ) 人红细胞白血病模型; HL-60) ) ) 人早幼粒白血病模型; HCT ) ) ) 人结肠癌模型; MKN-28 ) ) ) 人
胃腺癌模型)
图 1 香茶菜二萜类化合物的分子结构
Fig. 1 The molecule structures of en-t kauranoids from Isodon xerophi lus
96 云 南 植 物 研 究 28卷
112 活性构象的确定和分子叠合
活性构象在 Cambridgesoft Chem3D中构建, 并采用 MM2
力场优化为最小能量构象, 结构导入 Tripos 的 Sybyl 619 中,
载入 Gasteiger-Huckel电荷, 以对映 ) 贝壳杉烯型二萜共有
的乙烯基和羰基为叠合点, 考察 R 取代基对活性的影响。
叠合的结果见图 2。
图 2 13个分子的叠加图
Fig. 2 Alignment of compounds 1- 13
113 比较分子力场分析 ( CoMFA) 与 PLS分析
比较分子力场研究由 SYBYL的 QSAR模块完成。首先
以香茶菜二萜类对活性数据的- logIC50为因变量进行 CoMFA
分析。CoMFA 场类型选择 Tripos Standard, 立体场 ( steric) ,
静电场 ( electrostatic) 阈值皆为 30 KcalPmol, 使用带正电的
sp 3 杂化的碳原子作为探针, 探针移动步长为 210! 。用偏
最小二乘法 ( partial least square, SPL ) 处理 CoMFA 项和活
性负对数值, 设柱滤值设为 210 KcalPmol, 先用交叉验证的
/ leave-one-out0 方法进行交叉验证并确定最佳主成分数, 再
用非交叉验证建立 CoMFA模型。最终将活性与立体场和静
电场的相互关系以系数等势图在图形工作站上显示出来,
直接给出影响活性的立体场和静电场信息。在对活性数据
直接 CoMFA分析所得的 CoMFA 模型分别命名为 MODEL1、
MODEL2、MODEL3、MODEL4。对 MODEL 在工作站中以活
性、立体场和静电场的相互关系以系数等势图 ( coefficient
contour maps) 在图形工作站中显示出来。
2 结果与讨论
211 CoMFA人红细胞白血病 (K562) 模型MODEL1
化合物1、2、6、7、8、9、11、12、13的模型
MODEL1比较分子力场分析的统计学参数为: 交叉
验证系数分别为q2= 01391, 最佳主成分数为 4。模
型具有较好的预测能力。由最佳主成分数 4建立的
CoMFA模型的非交叉验证相关系数为 r2 = 01999,
标准偏差 SE= 01018, F= 11771952。
212 CoMFA人早幼粒白血病 (HL-60) 模型MODEL2
化合物 1、2、3、6、8、9的模型 MODEL2比
较分子力场分析的统计学参数为: 交叉验证系数分
别为 q2= 01491, 最佳主成分数为2。模型具有较好
的预测能力。由最佳主成分数 2建立的 CoMFA模
型的非交叉验证相关系数为 r2 = 01996, 标准偏差
SE= 01029, F= 4041047。
213 CoMFA人结肠癌 ( HCT) 模型MODEL3
化合物 1、2、3、9、10、11、13 的模型 MOD-
EL3比较分子力场分析的统计学参数为: 交叉验证
系数分别为 q2= 01551, 最佳主成分数为 1。模型具
有较好的预测能力。由最佳主成分数 1 建立的
CoMFA模型的非交叉验证相关系数为 r2 = 01830,
标准偏差 SE= 01165, F= 241423。
214 CoMFA人胃腺癌 ( MKN-28) 模型MODEL4
化合物 1、2、3、4、6、8、9、11、13的模型
MODEL4比较分子力场分析的统计学参数为: 交叉
验证系数分别为 q2= 01481, 最佳主成分数为 2。模
型具有较好的预测能力。由最佳主成分数 2建立的
CoMFA模型的非交叉验证相关系数为 r2 = 01978,
标准偏差 SE= 01082, F= 1331362。
215 CoMFA系数等势图
CoMFA模型的系数等势图见图 3、4、5和 6。
图 3 CoMFA 人红细胞白血病 ( K562) 模型MODEL1系数等势图
(图中的化合物是 13 longikaurin B)
Fig. 3 Steric and electrostatic contour map of MODEL1
( the compound in fig 3 is logikaurin B)
971期 易 平等: 旱生香茶菜二萜化合物细胞毒活性的三维构效研究
绿色和黄色代表立体场对化合物活性的影响, 绿色
表示在该区域附近引入体积大的基团有利于提高活
性, 黄色则相反。红色和蓝色则表示静电场对活性
的影响, 红色区域引入负电性基团有利于提高活
性, 蓝色区域引入正电性基团有利提高活性。
图 4 CoMFA人早幼粒白血病 (HL-60) 模型MODEL2系数等势图
(图中的化合物是 2 xerophilusin B)
Fig. 4 Steric and electrostatic contour map of MODEL2
( the compound in f ig 4 is xerophilusin B)
图 5 CoMFA 人结肠癌 ( HCT) 模型MODEL3系数等势图
(图中的化合物是 13 longikaurin B)
Fig. 5 Steric and electrostatic contour map of MODEL3
( the compound in fig 5 is logikaurin B)
图 6 CoMFA 人胃腺癌 (MKN-28) 模型MODEL4系数等势图
(图中的化合物是 1 xerophilusin A)
Fig. 6 Steric and electrostatic contour map of MODEL4
( the compound in f ig 6 is xerophilusin A)
表 2 CoMFA人早幼粒白血病 ( HL-60) 模型 MODEL2
预测的高活性的化合物
Table 2 The predicted high bioact ivity compounds from
MODEL2 (HL-60)
98 云 南 植 物 研 究 28卷
表 3 CoMFA人结肠癌 ( HCT) 模型 MODEL3
预测的一个高活性的化合物
Table 3 The predicted high bioactivity compounds from MODEL3 (HCT)
表 4 CoMFA人胃腺癌 (MKN-28) 模型MODEL4
预测的二个高活性的化合物
Table 4 The predicted high bioact ivity compounds from MODEL4 (MKN-28)
上述研究表明除了红细胞白血病 ( K562) 模型
MODEL1外, 其它的3种模型在 2, 3位取代小的略
显正电的甲基等, 都具有更高的活性预测值。目前
我们正在进行其它更多的同类二萜化合物的活性和
结构预测, 以期得到活性更高、结构更简的化合
物, 为活性化合物的结构修饰和简化提供理论预
测。同时一些具有相近结构的天然香茶菜二萜进行
细胞毒活性测定。
致谢: 本项目得到中国科学院昆明植物研究所植物化学与
西部植物资源持续利用国家重点实验室基金支持。
1参 考 文 献2
孙汉董, 许云龙, 姜北, 2001. 香茶菜属植物二萜化合物 [M] . 北
京: 科学出版社, 95 ) 104
河南省医学科学研究所药理药化组, 中科院昆明植物研究所植化室
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报, 73 ( 1) : 53 ) 56
张覃沐, 孙汉董, 林中文等, 1980. 冬凌草中又一抗肿瘤有效成分
[ J] . 科学通报, 25 ( 22) : 1051 ) 1054
Fujita E, Fujita T, Fuji K, et al , 1966. Terpenoids- II: The chemical
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Bull , 13 (8) : 1023 ) 1027
YagiSJ, 1910. On / Plectranthin0 , a bitt er principle derived from Plec-
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991期 易 平等: 旱生香茶菜二萜化合物细胞毒活性的三维构效研究