基於分子模擬技術發現潛在中藥煙酸受體激動劑
化學
作者：蔣蘆荻 賀昱甦 張燕玲
[摘要] 煙酸能提高人體高密度脂蛋白水平，降低血清總膽固醇、低密度脂蛋白及三酰甘油水平，臨床上常用於低高密度脂蛋白膽固醇血症和高三酰甘油血症的治療。研究表明，煙酸在發揮療效的同時易引起皮膚潮紅等不良反應。以生物電子等排、片段搜索和類藥五原則初篩中藥化學成分數據庫中可能與煙酸有相似藥理作用的中藥成分，結合同源模建和全柔性分子對接進一步篩選潛在的煙酸受體激動劑，獲得候選化合物11個，來源於8味常用中藥。其中，候選化合物與煙酸受體相互作用的方式和煙酸類似，且分子對接打分值均高於煙酸，其成藥性有待進一步考察；8味來源中藥中部分已有文獻研究確證降脂療效，提示其可能通過上述方式發揮作用。綜上，本研究為從中藥中獲得新的煙酸受體激動劑、改善高脂血症用藥現狀提供了依據和指導。
[關鍵詞] 煙酸受體激動劑；生物電子等排；片段搜索；中藥；分子對接；高血脂症
[收稿日期] 2014-04-08
[基金項目] 國家自然科學基金項目（81173522）；國家“重大新藥創製”科技重大專項（2011ZX09401-028）
[通信作者] *張燕玲，副研究員，主要從事中藥信息學研究，Tel：（010）84738620，E-mail
[作者簡介] 蔣蘆荻，碩士研究生，Tel：15652779521，E-mail
煙酸（nicotinic acid，NA）又名尼克酸（niacin），早在20世紀50年代Ahschul等[1]發現，大劑量煙酸具有降低血漿總膽固醇（TC）的作用。其作用靶點是一種可在脂肪細胞中表達的G蛋白偶聯受體，目前發現該受體有3個亞型（GPR109A，GPR109B和GPR81），而煙酸隻對GPR109A有高親和力[2]。煙酸激動GPR109A可以抑製脂質水解，降低血漿中遊離脂肪酸（FFA）水平，使得TC、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白（LDL）以及極低密度脂蛋白（VLDL）水平下降，高密度脂蛋白（HDL）水平上升[3]，臨床上多與其他藥物聯用以降低心血管疾病的發病風險。然而，大劑量服用煙酸易引發血液中尿酸含量升高及皮膚潮紅等不良反應，大大降低其臨床順應性[4]。中藥療效肯定、持續，副作用小，發現能夠激動煙酸受體的中藥活性成分對緩解煙酸類藥物發揮降脂作用時引發的不良反應、改善心血管疾病防治療效有著重大意義。
本研究以The Binding Database數據庫中煙酸受體激動劑為研究對象，將生物電子等排取代[5]和片段搜索[6]有機結合，搜索含有23 033個中藥化學結構的TCMD（traditional Chinese medicine database：2009）數據庫中可能與煙酸有相似藥理活性的成分[7]，構建中藥小分子庫，利用全柔性分子對接技術（Flexible Docking）篩選庫中可與煙酸受體相互作用的中藥活性成分。其中，煙酸受體為跨膜蛋白，其結構暫未獲得，故實驗以同源模建構建受體蛋白的三維結構，並以分子動力學模擬進行優化。
1 數據與方法
1.1 數據來源
實驗以″nicotinic acid receptor″，″niacin receptor″為關鍵詞，選擇來源於The Binding Database數據庫中作用於重組人源煙酸受體GPR109a（human recombinant GPR109a）的217個有激動活性的化合物。
1.2 中藥小分子庫構建
結合文獻分析[8]，確定煙酸受體激動劑中最常見的母核結構其結構類型：吡啶甲酸和吡嗪甲酸類、吡唑-3-羧酸類和異噁唑類、阿昔呋喃及其衍生物等。據此，實驗選擇含有上述母核的6種功能分子片段。
1.2.1 生物電子等排 生物電子等排（bioisosterism）包括經典的生物電子等排和非經典的生物電子等排。前者是由Grimm的氫化物取代規律及Erlenmeyer定義所限定的電子等排體，包括一價（如-X，-OH，-CH3）、二價（-CH2-，-O-，-NH2）、三價（=N-，=CH-）、四價（=C=）及環內等價5種類型；非經典的生物電子等排體包括環與非環結構、可交換的基團（如磺酰胺基和羧基）、基團反轉（如-COOR，-OCOR）[9]。有研究表明，吡啶甲酸和吡嗪甲酸類化合物中羧基是保持活性的必需基團，將羧基替換為酰胺後活性喪失，羧基位置更改活性消失[8]。參照以上生物電子等排規則及約束條件，對作用於煙酸受體的功能分子片段進行生物電子等排。
1.2.2 片段搜索及數據整理 利用生物電子等排所得小分子片段，對中藥化學數據庫中的化合物進行搜索，並應用類藥五原則對所命中中藥成分進行處理，生成中藥小分子庫。
1.3 煙酸受體三維結構模型的建立
1.3.1 GPR109A的同源模建 GPR109A（Uniprot登記代碼Q8TDS4）由363個氨基酸殘基組成，屬於進化保守的視紫紅質（Rhodopsin）家族受體。PDB數據庫中可用的膜蛋白結構有牛視紫紅質受體（bovine rhodopsin receptor）、人體β2腎上腺能素受體（human β2 adrenergic receptor）、人體A2A腺苷受體（human A2A adenosine receptor）和火雞β1腎上腺能素受體（turkey β1 adrenergic receptor）等[10]。本研究通過比對上述4種序列與 GPR109A 同源性高低，選擇同源性較高的蛋白作為模板蛋白。
同源模建使用Modeller 9.13程序和EasyModeller 2.0圖形操作界麵，由程序自動生成10個模型，根據打分值選取PDF Total Energy及DOPE Score均最低的模型作為目標蛋白。蛋白三維結構及顯示采用Discovery Studio 4.0 （DS）程序。
1.3.2 動力學優化 由於同源模建的蛋白存在一定的不合理因素，需要對其進行能量優化。本研究采用逐級能量最小化策略，即先約束所有重原子，優化氫原子；再約束保守跨膜區，優化側鏈及Loop區；最後優化跨膜區[11]。每次約束均以最陡下降法（steepest descent）2 000步和共軛梯度法（conjugate gradient）5 000步進行優化。
1.4 分子對接及中藥活性成分篩選
為精確考察分子間的結合模式，本研究利用DS中Flexible Docking模塊進行受體與配體間的全柔性分子對接，在此過程中蛋白的側鏈和配體分子構象都可以自由變化。
本研究先以煙酸分子（DrugBank登記代碼DB00627）與蛋白對接，與已有研究結果[12]比對考查煙酸受體蛋白結構的合理性。其後，將中藥小分子庫中成分依次與受體進行對接並分析結果。
2 結果與分析
2.1 對接配體準備
以生物電子等排原理對6個功能分子片段進行改造，得到22個新分子片段。以分子片段為提問結構對TCMD數據庫進行搜索，獲得354個中藥分子；在此基礎上，利用類藥五原則進行二次篩選，獲得214個化合物，整理生成中藥小分子庫。