Виртуальный скрининг в ряду эффективных ингибиторов каталитической активности лейкотриен А4 - гидролазы Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК: 544.165+615.22

ВИРТУАЛЬНЫЙ СКРИНИНГ В РЯДУ ЭФФЕКТИВНЫХ ИНГИБИТОРОВ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЛЕЙКОТРИЕН А4 - ГИДРОЛАЗЫ

© И. А. Таипов1, В. Р. Хайруллина1, А. Я. Герчиков1*, В. К. Хома1,

Ф. С. Зарудий2, Х. Бегель3

1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел./факс: +7 (347) 273 67 78.

E-mail: gerchikov@inbox.ru 2Башкирский государственный медицинский университет Россия, Республика Башкортостан, 450000 г. Уфа, ул. Ленина, 3.

Тел./факс: +7 (347) 272 37 51.

E-mail: zarudy@mail.ru 3Университет им. Мартина-Лютера Германия, Саксония — Анхальт, г. Галле, D-06120, ул. Курт-Мотес Штрассе, 2.

Тел./факс: +49 (0345) 552 56 28; +49 (0345) 552 56 07; +49 (0345) 552 55 00.

E-mail: horst.boegel@chemie. uni-halle.de

Выявлены структурные признаки, характерные для высокоэффективных ингибиторов каталитической активности лейкотриен А4-гидролазы, оценена степень их влияния на эффективность ингибирующего действия. Построена модель с уровнем достоверного прогноза более 80 % по двум методам теории распознавания образов (геометрический подход и «метод голосования»). Выявленные структурные закономерности могут быть использованы для конструирования высокоселективных ингибиторов каталитической активности А4-гидролазы.

Ключевые слова: лейкотриены, лейкотриен А4-гидролаза, метод теории распознавания образов, «геометрический подход», метод голосования, 5-липоксигеназа, арахидоновая кислота.

Лейкотриены вызывают патологические явления в организме, выступая в качестве медиаторов аллергических и воспалительных процессов [1-2]. Они образуются в результате окислительного метаболизма арахидоновой кислоты под действием ли-поксигеназной ферментативной системы [2]. Этот процесс реализуется через несколько стадий (рис. 1), причем наибольшую активность среди ферментов этой системы проявляет 5-липоксигеназа (5-ЛОГ) [1-2]. Одним из промежуточных продуктов этих превращений является нестабильный лейкотриен ЛТА4, который содержит аллильный эпоксидный фрагмент. Этот промежуточный лейкотри-ен превращается под действием двух различных специфических ферментов: лейкотриен А4-гидро-лазы и лейкотриен С4-синтазы в лейкотриен ЛТВ4 и цистеинил-лейкотриены соответственно [1]. Ин-

гибирование активности лейкотриен А4-гидролазы позволит предотвратить образование этих эйкоза-ноидов. Целью настоящей работы было теоретическое изучение взаимосвязи «структура - актив -ность» в ряду природных и синтетических ингибиторов лейкотриен А4-гидролазы с целью прогнозирования новых активных ингибиторов этого фермента.

Методика эксперимента

Для проведения исследований связи «структура - активность» использована компьютерная система SARD-21 (Structure Activity Relationship & Design) [3-4]. В рамках основных процедур системы SARD-21 построена модель прогноза и распознавания интервальных уровней ингибирующей активности потенциальных ингибиторов лейкотри-ен А4-гидролазы.

Арахидоновая кислота

COOH

5-ЛОГ

OOH

(5-липоксигеназа)

COOH

OH

OH

LTE4

LTD4

COOH

Лейкотриен -,

А4-Гидролаза

LTC4

Дегидратация 5-ЛОГ O

COOH

Лейкотриен С4-Синтаза OH

COOH

Glu

Рис 1. Механизм образования лейкотриенов из арахидоновой кислоты.

* автор, ответственный за переписку

Модель предназначена для распознавания структур с высокой ингибирующей активностью по отношению к лейкотриен А4-гидролазе. Обучающая выборка для модели построена в соответствии с дихотомической процедурой. Классификацию проводили исходя из результатов сопоставления литературных данных об ингибирующей активности различных биологически активных веществ относительно фермента лейкотриен А4-гидролазы. В качестве критерия при отнесении исходных соединений к классу высокоэффективных или средне-и низкоэффективных соединений использован параметр 50-%-ного ингибирования активности лейкотриен А4-гидролазы (1С50), определенный на модели клеток крови человека методом связывания [5-18]. Ряд А содержит 108 эффективных ингибиторов данного фермента (1С50<1 мкмоль/л), в ряд В включено 84 соединений, обладающих низкой эффективностью ингибирующего действия (1С50>1 мкмоль/л) [5-18]. Типичные структуры соединений, вошедших в обучающую выборку модели, а также соответствующие им значения 1С50 представлены в табл. 1.

В качестве граничных критериев различия между классами средне- и низкоэффективных соединений выбраны численные значения 1С50 действующего вещества (ДВ) лекарственного препарата «Зилеутон» - К-(1-бензотиен-2-илэтил)-М-гидро-ксимочевины (1С50 = 0.9 мкмоль/л) который содержится в экзаменационной выборке (табл. 2). В то же время, соединения со значениями 1С50> 2^10 мкмоль/л большинство исследователей относят к

Типичные структуры сс

среднеэффективным ингибиторам лейкотриен А4-гидролазы [10-15]. На основе сформированных массивов сформирован решающий набор признаков (РНП) [3], тестирование которого проводили на примере структур экзаменационной выборки, содержащей 30 соединений с известным ингибирующим действием в отношении лейкотриен А4-гидролазы соответственно. Структуры ингибиторов лейкотриен А4-гидролазы, вошедшие в экзаменационный массив, характеризуются высоким структурным сходством со структурами обучающих массивов модели. Типичные структуры экзаменационной выборки представлены в табл. 2.

Структуры исследуемых химических соединений представляли на языке фрагментарных дескрипторов (ФД) [3]: 1) исходные фрагменты, в том числе элементы циклических систем и сами циклические системы; 2) субструктурные признаки из нескольких химически связанных исходных фрагментов; 3) логические сочетания (конъюнкции, дизъюнкции, строгие дизъюнкции), сгенерированные на основе дескрипторов первого и второго типов.

Характер влияния ФД на эффективность ингибирования лейкотриен А4-гидролазы оценивали по коэффициенту информативности г (корреляции качественных признаков) (-1 < г < 1), в соответствии с которым, чем выше положительное значение информативности, тем больше вероятность влияния данного признака на проявление целевого свойства (положительного и отрицательного соответственно знаку «+» или «-») [3].

Таблица 1

їй обучающего массива

Класс активных соединений (высокоэффективные ингибиторы А4-гидролазы)

O 1

IC50=6.6 нМ

*O

Oh

O

"о n ^ nh2

i 2

IC50=7.0 нМ

O

IC50=40.0 нМ

IC50=20.0 нМ

S ■'"^'"O

IC50=33.0 нМ

H

N^O

N

IC50=54.0 нМ

IC50=84.0 нМ

H

F

Класс неактивных соединений (средне- и низкоэффективные ингибиторы лейкотриен А4-гидролазы)

о о

^N^V'NH, h nh2

IC<„=2.6403 нМ

N

O O

"N^^Y^O" H nh2

IC5o=8.0403 нМ

'S'

о

IC5o=5.72^103 нМ

о^

'O"

IC50=4.13 •Ю3 нМ о^

IC<0=1.8^104 нМ

O

IC50=5.72^103 нМ

'N 'Y’"NH-

h nh2

NH2 о

IC,0=2.0^104 нМ

O

H

Таблица 2

Результаты тестирования решающего набора признаков на экзаменационной выборке

№ Структурная формула Распознавание по геом. Распознавание по голос. Распознова- ние 2 ^ н 18 О |

1 о о /=\ ЫО А А А 1.0

2 я о < А В А 1.3

3 О кД-о"-\ о А А А 2.0

Ы2К <

8 К-ОЫ

ДВ «Зилеутон»

А

А

А

А

А

А

3.0

8.50Ч02

1М01

1М01

Модели распознавания и прогноза для исследуемого типа активности формировали в результате сочетания правил классификации и решающего набора структурных параметров в виде логических уравнений типа С=Б(8), где С - свойство (активность), Б - правила распознавания (алгоритм распознавания образов, по которому производится классификация исследуемых соедине-

ний,- геометрический или метод «голосования»), 8-решающий набор признаков (РНП). Эффективность моделей исследуемых типов активности определяли по результатам тестирования соединений экзаменационной выборки и структур исходного ряда с использованием двух методов теории распознавания образов: геометрического подхода и метода голосования [3].

Таблица 3

Решающий набор признаков для построения модели

4

5

6

В

В

В

7

В

В

В

№ признака Содержимое признака г

1 {(-о-) - (1,4-зам. бензол)}-&-{(-СЫ2Ье1-) - (>К-)}-&-{(>С=С<) -(>С=С<)} 0.622

2 (>К-)-&-(1,4-зам. бензол)-&-(-о-) 0.599

3 {(-Ще!-) - (>К-)|!((-о-) - (>С=С<)|!((>С=С<) -(>С=С<)| 0.585

4 (1,4-зам. бензол)-&-(-о-)-&-(>С=С<) 0.556

5 {(-СЫ2Ие1-)-( 1,4-зам. бензол)}! {(-К=С<)-(-о-)}! {(>СЫ-)-((СЫ2)2-)| 0.533

6 {(-о-) - (>С=С<)}!{(-СЫз) - (>С<)} 0.530

7 {(-о-) - (>С=С<) - (>С=С<)} 0.524

8 (-8Ы)!(5-зам -1Н-индол)!(1,2-зам. бензол) -0.264

9 {(>СЫ-) - (-СЫ2Ие1-) - (1-зам. бензол)} -0.278

10 (-]КН2)!(5-зам -1Н-индол)!(1,2-зам. бензол) -0.289

11 {(>СЫ-) - (-СЫ^-) - (>С=С<)} -0.318

12 {(-ВДе!-) - (>СЫ-) - (-Ш2)} -0.329

13 {(>СЫ-)-(>С=о)}! {(-оЫ)-( 1,4-зам. бензол)}! {(-СЫ3)-(-СЫ2Ие1-)} -0.381

14 {(>СЫ-) - (-Ш2)}!{(-оЫ) - (1,4-зам. бензол)}!{(-СЫ3) - (-СЫ^-)} -0.388

& - знак конъюнкций (логическое «и») ! - знак дизъюнкций ( логическое «или»)

Таблица 4

Результаты распознавания обучающего и экзаменационного массивов с использованием решающих наборов признаков,

сформированных для построения модели

Метод формирования логических признаков Дизъюнкции Строгие дизъюнкции

Результат распознавания, % Ряд А 1 Ряд В 1 Весь массив Ряд А 1 Ряд В 1 Весь массив

Геом.

Голос.

83.33

80.5б

80.95

80.95

82.14

80.75

81.48

78.70

80.95

75.00

81.22

7б.85

Результаты и их обсуждение

В рамках построенной модели при автоматическом отборе с использованием дизъюнкций в РНП вошли фрагментарные признаки и их логические сочетания, потенциально ответственные за проявление исследуемого типа активности (табл. 3). Согласно данным РНП, положительное значение коэффициента информативности соответствует признакам эффективных ингибиторов лей-котриен А4-гидролазы, в то время как признаки с отрицательным значением коэффициента информативности характерны для низкоэффективных ингибиторов данного фермента.

В табл. 4 приведены сравнительные результаты распознавания обучающего массива при помощи РНП, построенного с использованием двух методов формирования логических признаков: дизъюнкций и строгих дизъюнкций.

Эти данные свидетельствуют о высоких распознающих способностях построенной нами модели (уровень распознавания > 75% для всех массивов). Полученный результат свидетельствует о высокой эффективности выбранной модели для прогноза интервальных уровней ингибирующей активности новых соединений в качестве ингибиторов лейкотриен А4-гидролазы.

В результате совместного анализа ФД обеих моделей выявлены фрагменты, характерные для эффективных ингибиторов лейкотриен А4-гидролазы с коэффициентом информативности г > 0.1, а также признаки низкоэффективных ингибиторов данного фермента с коэффициентом информативности г < - 0.1. Анализ их влияния выполнен с учетом при-

надлежности к различным функциональным группам. Циклические признаки, характерные для эффективных и низкоэффективных ингибиторов лей-котриен А4-гидролазы, представлены в табл. 5.

Индивидуальные признаки, влияющие на ингибирование активности лейкотриен А4-гидролазы, представлены на рисунке 2а. На основании этих результатов можно заключить, что среди индивидуальных признаков положительный вклад в эффективность ингибирования активности А4-гидролазы вносят третичный атом азота и кислород (г = 0.501), а отрицательный - сульфоновая, карбонильная и аминогруппа (г = - 0.23).

Найдено, что степень и характер влияния структурных признаков на проявление антагонистической активности зависит от природы и способа их сочетания друг с другом (рис. 2.б). В частности, сочетание четвертичного атома углерода с двумя этиленовыми фрагментами встречается преимущественно в классе низкоэффективных ингибиторов лейкотриен А4-гидролазы, а сочетание этих же группах с кислородом для высоко - и среднеэффективных ингибиторов лейкотриен А4-гидролазы. Полученные результаты позволяют осуществлять компьютерное моделирование различных классов биологически активных веществ с целью выявления потенциально селективных ингибиторов лей-котриен А4-гидролазы; кроме того, найденные закономерности в строении высокоэффективных ингибиторов каталитической активности лейкотриен А4-гидролазы могут служить основой для направленного синтеза потенциальных ингибиторов данного фермента.

Циклические признаки, характерные для эффективных ингибиторов лейкотриен А4-гидролазы ________________Признаки, характерные для высокоэффективных соединений_______________

R

R

143

R

N'

I

R

135

R

I

N

R

NH

N

I

R

242

509

R

о

510

Таблица 5

R

512

Фрагменты, характерные для средне- и низкоэффективных соединений

кЧЗ

R

131

R

<wbR

R

R

R

'N

403

YJ

4бб

532

R

*Цифрами обозначены коды циклов при расчете

N

R

R

53б

а)

Фрагменты

(-NH2)c

(>c=o) : (>so2) а

(->P=O)l= (-CH3)I= (>S=O)l= (-SH)I =

](-CH2-)

l(-S-) =1 (-N=C<) ZI(-(CH2)3-)

] (-Cl)

ZI(-OH)

□ (>ch-)

] (-CN)

0 0.1 0.2 0.3

Информативность

б)

(>CH-)-(-CH2het-)-(>C=C<) с

(>CH-)-(>C=O)-(-NH-) с (-CH2het-)-(>C=C<)-(-CH2het-) С

(-N=C<)-(>C=C<)-(>C=O) С

(-CH3)-(>C=C<)-(-N=C<) С

Фрагменты

(>SO2)-(>C=C<)-(>C=C<) С (-CH2het-)-(-(CH2)2-)-(-CH2het-)

(>C<)-(>C=C<)-(>C=C<) [ (-CH2het-)-(-CH2het-)-(-NH2) [

□ (-CH2-)-(>CH-)-(-NH-)

=l(-(CH2)2-)-(>CH-)-(-NH-)

I (-CH2het-)-(>CH-)-(-(CH2)2-)

I (-CH2het-)-(-CH2-)-(-CH2het-)

I (-N=C<)-(>C=C<)-(>C=C<)

~l (-S-)-(>C=C<)-(>C=C<)

---1 (-O-)-(-N=C<)-(>C=C<)

-----1 (-OH)-(>C=O)-(>C=C<)

I (>C=C<)-(-O-)-(>C=C<)

=1 (-O-)-(>C=C<)-(>C=C<)

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2

Информативность

0.3

0.4

0.5

0.6

Рис. 2. Влияние азот-, кислород-, серуодержащих признаков на эффективность ингибирования лейкотриен А4-гидролазы.

Выводы

1. Построена модель прогноза и распознавания ингибирующей активности различных классов соединений в отношении лейкотриен А4-гидролазы с уровнем достоверного прогноза > 76 % по двум методам теории распознавания образов.

2. Найден решающий набор признаков, с помощью которого выявлены структурные признаки, характерные для эффективных и низкоэффективных ингибиторов активности лейкотриен А4-гидролазы.

3. Предложены новые структуры веществ, которые будут проявлять высокую эффективность в качестве ингибитора каталитической активности лейкотриен А4-гидролазы с вероятностью не менее найденного уровня распознавания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Pontiki E., Hadjipavlou-Litina D., Lipoxygenase Inhibitors: A

Comparative QSAR Study Review and Evaluation ofNew

QSARs // Medicinal Research Reviews. 2008. V. 28. №1. С. 39-117.

Denisov E. T., Afanas'ev I. B. Oxidation and Antioxidants in Organic Chemistry and Biology. Boca Raton: Taylor & Francis. 2005. 931 с.

Тюрина Л. А., Тюрина О. В., Колбин А. М. Методы и результаты дизайна и прогноза биологически активных веществ. Уфа: Гилем, 2007. 331с.

Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. №2011612273. Программные модули компьютерной системы SARD-21 для прогноза и моделирования биологически активных химических соединений / Кирлан С. А. (RU). Зарегистрировано в Реестре баз данных 17.03.2011.

Penning T. D., Russell M. A., Chen B. B., Chen H. Y., Liang C. D., Mahoney M. W., Malecha J. W., Miyashiro J. M., Yu S. S., Askonas L. J., Gierse J. K., Harding E. I., Highkin M. K., Kachur J. F., Kim S. H., Villani-Price D., Pyla E. Y., Ghorei-shi-Haack N. S., Smith W. G. Synthesis of potent leukotriene A4 hydrolase inhibitors. Identification of 3-[methyl[3-[4-(phenylmethyl)phenoxy]propyl]amino]propanoic acid // Journal of Medicinal Chemistry. 2002. №45. Р. 3482-3490. Penning T. D., Chandrakumar N. S., Chen B. B., Chen H. Y., Desai B. N., Djuric S. W., Docter S. H., Gasiecki A. F., Haack R. A., Miyashiro J. M., Russell M. A., Yu S. S., Corley D. G.,

-0.3

-0.2

-0.1

0.4

0.5

0.6

2

3.

4

5.

6

Durley R. C., Kilpatrick B. F., Pamas B. L., Askonas L. J., Gierse J. K., Harding E. I., Highkin M. K., Kachur J. F., Kim S. H., Krivi G. G., Villani-Price D., Pyla E. Y., Smith W. G. Structure-activity relationship studies on 1-[2-(4-Phenylphenoxy)ethyl]pyrrolidine (SC-22716), a potent inhibitor of leukotriene A4 (LTA4) hydrolase // Journal of Medicinal Chemistry. 2000. №43. P. 721-735.

7. Penning T. D., Chandrakumar N. S., Desai B. N., Djuric S. W., Gasiecki A. F., Malecha J. W., Miyashiro J. M., Russell M. A., Askonas L. J., Gierse J. K., Harding E. I., Highkin M. K., Kachur J. F., Kim S. H., Villani-Price D., Pyla E. Y., Gho-reishi-Haack N. S., Smith W. G. Synthesis of imidazopyridi-nes and purines as potent inhibitors of leukotriene A4 hydrolase // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2003. №13. P. 1137-113.

8. Ye B., Bauman J., Chen M., Davey D., Khim S. K., King B., Kirkland T., Kochanny M., Liang A., Lentz D., May K., Mendoza L., Phillips G., Selchau V., Schlyer S., Tseng J. L., Wei R. G., Ye H., Parkinson J., Guilford W. J. Synthesis of N-alkyl glycine amides as potent inhibitors of leukotriene A4 hydrolase // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2008. №18. P. 3891-3894.

9. Khim S. K., Bauman J., Evans J., Freeman B., King B., Kirkland T., Kochanny M., Lentz D., Liang A., Mendoza L., Phillips G., Tseng J. L., Wei R. G., Ye H., Yu L., Parkinson J., Guilford W. J. Discovery of novel and potent aryl diamines as leukotriene A4 hydrolase inhibitors // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2008. №18. P. 3895-3898.

10. Sandanayaka V., Mamat B., Mishra R. K., Winger J., Krohn M., Zhou L. M., Keyvan M., Enache L., Sullins D., Onua E., Zhang J., Halldorsdottir G., Sigthorsdottir H., Thorlaksdottir.

A., Sigthorsson G., Thorsteinnsdottir M., Davies D. R., Stewart L. J., Zembower D. E., Andresson T., Kiselyov A. S., Singh J., Gurney M. E. Discovery of 4-[(2S)-2-{[4-(4-chlorophenoxy)phenoxy] methyl }-1 -pyrrolidinyl] butanoic acid (DG-051) as a novel leukotriene A4 hydrolase inhibitor of leukotriene B4 biosynthesis // Journal of Medicinal Chemistry. 2010. №53. P. 573-585.

11. Penning T. D., Askonas L. J., Djuric S. W., Haack R. A., Yu S. S., Michener M. L., Krivi G.G., Pyla E. Y. Kelatorphan and related analogs: potent and selective inhibitors of leukotriene

A4 hydrolase // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 1995. №5. P. 2517-2522.

12. Kirkland T. A., Adler M., Bauman J. G., Chen M., Haegg-strom J. Z., King B., Kochanny M. J., Liang A. M., Mendoza L., Phillips G. B., Thunnissen M., Trinh L., Whitlow M., Ye

B., Ye H., Parkinson J., Guilford W. J. Synthesis of glutamic acid analogs as potent inhibitors of leukotriene A4 hydrolase // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2008. №16. P. 4963-4983.

13. Thangapandian S., John S., Sakkiah S., Lee K. W. Pharmacophore-based virtual screening and Bayesian model for the identification of potential human leukotriene A4 hydrolase inhibitors // European Journal of Medicinal Chemistry. 2011. №46. P. 1593-1603.

14. Sandanayaka V., Mamat B., Bhagat N., Bedell L., Halldorsdottir G., Sigthorsdottir H., Andresson T., Kiselyov A., Gurney M., Singh J. Discovery of novel leukotriene A4 hydrolase inhibitors based on piperidine and piperazine scaffolds // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2010. №20. P. 2851-2854.

15. Chen Z., Wu Y., Liu Y., Yang S., Chen Y., Lai L. Discovery of dual target inhibitors against cyclooxygenases and leukotriene A4 hydrolyase // Journal of Medicinal Chemistry. 2011. №54. P. 3650-3660.

16. Grice C. A., Tays K. L., Savall B. M., Wei J., Butler C. R., Axe F. U., Bembenek S. D., Fourie A. M., Dunford P. J., Lun-deen K., Coles F., Xue X., Riley J. P., Williams K. N., Karls-son L., Edwards J. P. Identification of a potent, selective, and orally active leukotriene a4 hydrolase inhibitor with antiinflammatory activity // Journal of Medicinal Chemistry. 2008. №51. P. 4150-4169.

17. Albrecht S., Defoin A., Salomon E., Tarnus C., Wetter-

holm A., Haeggstrom J. Z. Synthesis and structure activity re-

lationships of novel non-peptidic metallo-aminopeptidase inhibitors // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2006. №14. P. 7241-7257.

18. Davies D. R., Mamat B., Magnusson O. T., Christensen J.,

Haraldsson M. H., Mishra R., Pease B., Hansen E., Singh J.,

Zembower D., Kim H., Kiselyov A. S., Burgin A. B., Gurney M. E., Stewart L. J. Discovery of leukotriene A4 hydrolase inhibitors using metabolomics biased fragment crystallography // Journal of Medicinal Chemistry. 2009. №52. P. 4694-4715.

Поступила в редакцию 23.11.2011 г.