種々のエストロゲン様物質のβ-シクロデキストリン複合体形成能とのアナロジーに基づく構造活性相関 利用統計を見る

Structure-Activity Relationships for Receptor

Binding of Environmental Estrogens : Analogies

with β-Cyclodextrin Inclusion Complexes

著者名(英)

Takahiro SUZUKI, Stuart SHAPIRO

journal or

publication title

Journal of Toyo University. Natural science

number

53

page range

9-32

year

2009-03

URL

http://doi.org/10.34428/00002543

Creative Commons : 表示 - 非営利 - 改変禁止

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.ja

Journal　of　Toyo　University，　Natural　Science，　No．53．9－32（2009） 9

　　　Structure－Activity　Relationships　for　Receptor

　　　　　　　　　Binding　of　Environmental　Estrogens：

Analogies　withβ一Cyclodextrin　Inclusion　Complexes

Takahiro　SUZUKI＊and　Stuart　SHAPIRO＊＊

Abstract

　　Agroup　contribution　model　fOr　calculating　relative　binding　af五nities（RBAs）of　struc－ turally　diverse　ligands　to　rat　uterine　estrogen　receptor一α（ER一α）was　developed．　Least squares　regression　yielded　an　equation　correlating　RBA　with　the且rst－order　molecular connectivity　index　iZ（a　measure　of　molecular　bulk）and　weighted　structural　fragments （measures　of　molecular　fbrces　between　the　receptor　and　ligand）．　This　model　showed　a very　good　index　of　determination（r2＝0．848）between　experimental　and　calculated　loglo RBAs　fOr　a　training　set　comprised　of　128　compounds．　Silnilarities　between　ER一α：（xeno） estrogen　binding　and　fOrmation　ofβ一cyclodextrin：（xeno）estrogen　inclusion　complexes were　explored　by　comparing　experimental　free　energies　for（xeno）estrogens　bound　to ER一α　with　those　for　the　same　ligands　complexed　with　natural　and　2－hydroxpropyl－6－ cyclodextrin．　Indices　of　determination　in　the　range　O．6－0．7　were　obtained　fbr　the　ER一α andβ一cyclodextrin　systems．　Development　of　a　group　contribution　method　for　in　silico screening　of　potential　xenoestrogens　represents　a　practical　alternative　to　tedious，　costly receptor－ligand　binding　assays　and　animal　experimentation． Keywords：environmenta正estrogen，　group－contribution　method，　molecular　connectivity， 　　　　　　　　　QSAR，　xenoextrogen

1．　Introduction

　　Cyclodextrins（CDs）are　cyclic　polysaccharides　usually　comprised　of　six（α一CD）， seven（β一CD），　or　eight（γ一CD）α一d－glucosyl　units　connected　by　1，4’－0－glycosidic bonds．　CDs　assume　an　open　conical　shape，　with　their　hydroxyl　moieties　directed towards　the　outside，　leaving　a　relatively　non－polar　interior　which　can　accommodate　a variety　of　organic　and　inorganic“ №浮?塔[molecules（Connors．1997）．　The　natural　CDs ＊　N　atural　Science　Laboratory．　Toyo　University．5－28－20　Hakusan，　Bunkyo－ku，　Tokyo　I　I　2－8606． Japan ＊＊_{aasilea　Pharmaceutica　International　AG．　Grenzacherstrasse　487，　Postfach，　CH－4005　BaseL} Switzerland

10

Takahiro　SuzuKI　and　Stuart　SHAPIRO have　been　modified　by　adding　alkyl　or　hydroxyalkyl　groups　to　the　glucosyl　hydroxyls． The　binding　properties　of　natural　and　modified　CDs　have　Ied　to　their　being　used　in　a wide　range　of　practical　applications，　including　solubilization／stabilization　of　pharmaceu－ ticals　and　stationary　phases　for　chromatographic　separation（Szejtli，1988：Szejtli， 1998；Hedges，1998）．　CDs　also　represent　interesting　models　fOr　interactions　of　ligands with　enzyme　and　receptor　binding　sites（Szejtlit　1988）．

　　Most　steroids　and　many　other　chemicals　that　interact　with　endocrine　systems

（Brunstrom　et　al．2003；Colborn　et　aL，1993：Hutchinson　and　PickfOrd，2002；Singleton and　Khan，2003）fall　within　the　size　range　of　guest　molecules　forβ一CD　cavities．　Con－ siderable　effort　has　been　invested　to　understand　the　toxic　activities　of　xenoestrogens C‘endocrine　disruptors”），　defined　by　the　United　States　Environmental　Protection Agency　as　substances　which　interfere　with　the　synthesis，　secretion，　transport，　binding， action，　or　elimination　of　hormones　responsible　for　the　maintenance　of　homeostasis， reproduction，　development，　and／or　behavior（Kavlock，1996）．　To　date　the　European Union　has　classified　553　synthetic　substances　as　potential　xenoestrogens（European Commission，2001）．　Jn　vitro　bioassays　for　endocrine　disruptive　activity　using　MCF－7 human　breast　adenocarcinoma　cells　and　other　estrogen－sensitive　cel川ines　are　very costly，　time－consuming，　and　labor－intensive　procedures；therefbre，　quantitative　struc－ ture－activity　relationship（QSAR）models，　using　traditional　Hansch　and　molecular　con－ nectivity　methods　as　well　as　sophisticated　3D　techniques，　have　been　applied　to　analyz－ ing　ligand　binding　to　estrogen　receptors（ERs）（Blair　et　al．，2000；Bradbury　et　aL， 1996；Galltchev　et　aL，1994；Gao　et　aL，1999a，b；Gao，2001；Hutchinson　and　Pickford， 2002：Kramer　and　Giesy，1999；Roncaglioni　et　aL．2004：Sadler　et　aL，1998；Shi　et　aL， 2001；Suzuki　et　al．，2001；Tong　et　aL，1997a，b；Tong　et　al．，1998；Waller　et　aL，1995， 1996；Waller，　2004：Zheng　and　Tropsha，2000）． 　　Steroids（Wallimann　et　al．，1997）and　other　compounds（Brunstrom　et　aL，2003：Col－ born　et　al．，1993；Hutchinson　and　Pickford，2002；Singleton　and　Khan，2003）that　inter－ act　with　endocrine　systems　also　form　inclusion　complexes　with　natural　or　modified β一CDs　in　aqueous　milieux．　The　moiecular　shape　and　size　of　the　guest　molecule，　desol－ vation　of　the　guest　molecule（release　of“high　energジwater　from　the“host”CD　cavi－ ty），relief　of　conformational　strain　in　the　uncomplexed　CD，　van　der　Waals　interactions， and　hydrogen　bonds　between　moieties　of　the　guest　and　host　are　believed　to　contribute in　varying　degrees　to　the　formation　and　stability　of　CD　inclusion　complexes（Connors． 1997）．Schematic　representations　of　the　inclusion　complex　formed　betweenβ一CD　and 17fi－estradiol，　and　of　the　binding　of　17β一estradiol　to　estrogen　receptor一α（ER一α） （Brzozowski　et　al．1997）are　shown　in　Figure　1．　Though　there　are　differences　in　cavi－ ty　size　and　shape　between　estrogen　receptors　andβ一cyclodextrins，　similar　steric　and energetic　interactions　likely　drive　both　complexation　of　17fi－estradiol　byβ一CD　and binding　of　17β一estradiol　by　ER一α．　Therefore，　CD　binding　of　xenoestrogens　may　func一

QSARs　of　environmental　estrogens

11

炉CD

A

HO

OH

Analogy

ER一α

OH

Fig．1．β一CD：17β一estradiol　complex（A）ER－a：17β一estradiol　complex（B）， tion　as　surrogates　fbr　ER一αbmdj五g　of　xenoestrogells． 　　Diverse　computational　tools，　including　molecular　modeling，　neural　networks，　and 2D－and　3D－QSAR／QSPR，　have　been　used　to　elucidate　the　factors　governing　host： guest　hlterac60ns　in　CD　inclusion　complexes　and　to　predict　their　themodynamic　sta－ bhities（Katritzky　et　al．，2004；Klein　et　aL，2000；Lipkowitz，1998；Liu　and　Guo，1999； Matsui　et　al．，1985；Park孤d　Na瓦1994；Suzuki　et　al．，2000）．　Nonl血ear　group　contri－ bution　models（GCMs）for　calculating　binding　constants　or　free　energies　of　complex・

ation　of　guest　molecules　with　naturalα一alldβ一CDs　have　been　reported（Suzuki，

2001）．正［ere　we　present　a　GCM，　derived　from　expe血1ental　binding　data　fbr　a　structur・ a皿ydiverse　set　of　molecules，　for　calculating　relative　binding　affinhies（RBAs）of　ligands to　ER一α，　as　wel　as　a　correlation　between　free　energies　of　complexation　of　molecules with　native　and　modi丘edβ一CDs　and　RBAs　fbr　xenoestrogens　with　ER一α．

2．Methods

Relative　bindin　a伍nities

　Binding　a伍ni6es　fOr　rat　uterine　cytosoUc　estrogen　receptor　ER一αwere　determined by　competitive　binding　assay　with［3H］17β一estradiol（E2）（Blair　et　a1．，2000：Shi　et a1，2001；Waner　et　aL，1996）．　The　relative　binding　af丘nity（RBA）fbr　a　compound“X” is　a　dimensionless　number　defilled　as　100　times　the　molar　ratio　E2／X　required　to decrease　E2　binding　to　ER一αby　50％．　On　the　RBA　scale，17fi－estradiol　is　assiglled　a value　of　100，　with　lower　a面ty　analogues　having　lower　values　and　higher　af丘11ity　ana－ logues　having　higher　values．

　SAR　delrivation

　Atraining　set　of　128　molecules，　ranging　from　4－methylpheno1（molecular　weight

108．14）to　ICI－164384（molecular　weight　525．82），　is　presented　in　Table　1，　along　with

12

Takahiro　SuzuKI　and　Stuart　SHAp1Ro experimental　loglo　RBA　values．　The　structures　f（）r　128　molecules　are　shown　in　Figure　2． 　　Derivation　of　a　predictive　model　for（xeno）estrogen　RBAs　follows　from　the　assump－ tion　that　loglo　RBA　is　at　least　partially　describable　in　terms　of　ligand　fragment　contri－ butions，　dimensionless　values　associated　with　single　atoms　or　multiatom　assemblies． Moreover，　in　an　earlier　study（Suzuki　et　aL，2000）naturalβ一CD：guest　binding　con－ stants　were　f6und　to　have　a　nonlinear　dependence　on　molecular　size．　Therefore，　as　a first　approximation　loglo　RBA　was　assumed　to　be　a　quadratic　equation　of　general form：

　　　　　　loglo　RBA＝cl・D＋c2・D2＋Σ（ni・Gi）＋co　　　　　　　（1）

where

D＝descriptor　representing　molecular　bulk　or　size： c］，c2＝regression　coefficients； G＝value　assigned　to　ligand　structural　fragment　i； ni＝number　of　times　molecular　fragment　i　occurs　in　the　ligand；and Co＝regreSSIOn　COnStant． 　　As　possible　descriptors　of　molecular　bulk　or　size，　zeroth－order（oZ）and丘rst－order （IZ）molecular　connectivity　indices（Kier　and　Hall，1986），as　well　as　molecular　weights （Mw），　were　calculated　fOr　each　molecule　in　the　data　set（Table　1）．　Regression　coe伍一 cients　were　determined　by　the　method　of　least　squares，　using　Excel　Multivariate　Anal－ ysis　v3．0（Esumi　Co．，　Ltd．，　Tokyo．　Japan）on　a　microcomputer　running　the　Windows XP　operating　system． Derivation　of　fra　　ent　constants 　　The　quality　of　a　GCM（i．e．，　the　precision　of　its　predictions　and　their　reliability） depends　upon　the　definition　of　molecular　fragments　and　their　assigned　weightings． After　considering　the　available　number　of　data　points，　facile　identification　of　groups contributing　molecular　structure，　and　implicit　inclusion　of　the　constitutive　factors，　a set　of　fraglnents　similar　to　that　used　earlier　by　Lydersen（1955）for　estimating　critical properties　was　employed．　Fragment　constants　Gi　for　26　chemical　groups　are　Iisted　in Table　2．　IoH－oH　is　an　indicator　variable．　equεd　to　either　O　or　l　depending　upon　the　pre－ sumptive　absence　or　presence，　respectively，　of　cooperative　hydrogen　bonding　involving oxygen　atoms　between　the　ligand　and　ER一α．　Three　examples　of　the　decomposition　of molecules　into　defined　fragments　are　shown　in　Figure　3． Determination　of　bi皿din　constants　for　－CD：　est　inclusion　com　lexes 　　The　thermodynamic　stability　of　a　1：1CD：guest　inclusion　complex　can　be　expressed as　the　dissociation　constant　of　that　complex，　Kdis㍉、11，．　Values　of　Kdissq、いfor　inclusion complexes　between　naturalβ一CD　or　2－hydroxypropyl⊃β一CD（2－HP－⊃β一CD）（Yoshida et　aL，1988）and　l　l　estrogens　or　xenoestrogens（kepone，4－nonylphenoL　bisphenol　A， methoxychlor，　estrone，1　7fi－estradiol，1　7）6　－estriol，　ethynylestradiol，　di－n－butyl　phtha－ late、　butyl　benzyl　phthalate，　endosu1fan）were　determined　by　the　solubility　rnethod

QSARs　of　environmentaI　estrogens

13

Table　l． Experimental　and　calcしrlated　loglo　RBA　values　for　the　rat　uterine　estrogen　receptor（ER一

α）for　128　molecules、

no，

compound

formula

logie　RBA obs’d calc’d 1δH－OH ref，＊＊

123456789012345678901234567890123456789012345

　　　　　　　　　111111111122222222223333333333444444

4－methylphenol 4－chloro－3－methylphenol 2てhloro－4－methylpheno1 4－chloro－2－rnethylphenol 3－ethylphenol 4－ethylphenol methyl－4－hydroxybenzoate ethy十4－hydroxybenzoate 4－sec－butylphenol 2－sec－butylphenol 4－tert－butylphenol kepone propyl　paraben 4－tert－amylphenol butyl－4－hydroxybenzoate 2．4Ldichlorobiphenyl 4－phenylphenol 3－phenylphenol 2，3．4．5－tetrachloro－4’－biphenylo1 2’．5’－dichloro－4－biphenylol 4－chloro－4’－biphenylol 2－chloro－4－biphenylol 4．4Lsulfbnyldiphenol 4－heptyloxyphenol 4－benzyloxyphenol 2．2’－methylenebis（4－chlorophenol） bis（4－hydroxyphenyl）methane 4，4’－dihydroxybenzophenone 2，4－dihydroxybenzophenone 4－phenethyLphenol 4－tert－octylphenol 4－octylphenol 4、4’－dihydroxystilbene 4．4’－ethylene　diphenol 2．2’．4．4Ltetrahydroxybenzil o，グーDDT 4．4’一（dichlorovinylidene）diphenol bisdemethylmethoxychlor benzy14－hydroxybenzoate heptyl　4－hydroxybenzoate coumestrol chalcone 4－nonylphenol 4’－hydroxychalcone 4－hydroxychalcone 　　　　　　　ワピ　　　　　　　ぐつ　　ぐコ

。。・。・。・；急㍑品骨㍑㍑榴疏繰霊ぽ芯㍑霊慧翫ぽ㍊四曇輌

凪品且7氏日且－恥品旧旧沮に沮沮沮沮沮沮沮坦沮沮沮沮沮3R沮沮沮沮4且沮沮沮旧沮温4且沮沮沮沮5R沮沮

ドじ　　　ヅ　　みご　　リイ　　お　　お　　ぽ　　リ　　ト　　エ　　エ　　エ　　ペ　　　　　　　　ハ　　ユ　　エ　　ヒ　　ヒ　　　　　エ　　ミ　　し　　エ　　エ　　ペ　　エ　　　　　エ　　エ　　エ　　ペ　　じ　　　　　　　　エ　　エ　　ユ　　エ　　　　　　　　エ　　　　　エ

CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC

_{一 一一一一［ 一一一 一一一一一一一一 一一一﹁  一一﹁ 一一一一 一一一一一一一［}

086777427419267144448778452619245485204952335536681423568220604641708440466835468465008545433334333331333333012232323222120102002202122

_{一一一 一一一一一一一一﹁ 一一一  一一一 一一一一［一一一一一一一一一一一 一一一一一}

644477729910384400799497668113949953089852615733366439982159622116661444888556625146324398333333332222322233122233322222120001012203222

000000000000000000000000000000001110000000000

333333223333333333333333333333323333333333333

14

no．

67’

44▲

89012345678901234567890123456789012345678904455555555556666666666777777777788888888889

Takahiro　SuzuKI　and　Stuart　SHApIRo Table　1（continued）

compound

formula logi｛］RBA

obs’d calc’d bisphenol　A 4－［2，2－dichloro－1－（4－methoxyっhenyl） ethenyl］phenol

monodemethylmethoxychlor

6－hydroxyf］avone 4’－hydroxyfiavanone 3’－hydroxy且avanone 6－hydroxy且avanone 7－hydroxy且avanone equol 2－ethylhexyl　4－hydroxybenzoate 6．4’－dihydroxyflavone 4，2：4Ltrihydroxychalcone daidzein 73：4’－trihydroxyisoflavone 3．6．4’－trihydroxyf］avone genlsteln aPlgenln baicalein narlngenln phloretin kaernpferol fisetin morin myrlcetln formononetln 1．3－diphenyltetramethyldisiloxane dimethylstilbestrol bisphenol　B methoxychlor biochanin　A

prumetm

dimethyl　allenolic　acid diphenolic　acid 3－deoxyestrone estra－1．3，5（10）－trien－3－oI 3－deoxyestradiol 17－deoxvestradiol 4－dodecylphenol dienestrol diethyLstiLbestrol estron 3－hydroxy－estra－1，3．5　q　O）－trien－16－one meso－hexestrot dl－hexestrol l7α一estradiol Cl5Hl602 Cl5H］2Cl202 リゴ　　　　　　ワニ

0　　　　　　°12　　0

1333333334445声：。555566784S2213553」　　　　2222322

COOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOCOOOOOOOOOOOOOOOO

3　　0　　2　　2　　2　　2　　4　　2　　0　　2　　0　　0　　0　　0　　0　　0　　2　　4　　D　　．U　　O　　O　　2　　2　　6　　8　　5　　2　　2　　0　　8　　2　　】　　4　　」　　0　　8　　“　　2　　2　　2　　2　　」 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 ］ 1 1 ［ l 1 1 1 1 1 ︸ 1 2 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 3 1 2 2 ヨ 2 2 a

HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH

5555555555555555555555．666666、b778S88S8札88S．S8

　　　 ユ　　 し　　 ぺ　　 　　　 ユ　　 　　　 ヒ　　 エ　　 エ　　 　　　 エ　　 ト　　 　　　 ヒ　　 エ　　 ヒ　　 　　　 ユ　　 ユ　　 　　　 　　　 ぺ　　 　　　 　　　 エ　　 エ　　 　　　 ヨ　　 　　　 　　　 ト　　 　　　 　　　 ユ　　 ヒ　　 ユ　　 エ　　 　　　 ユ　　 　　　 　　　 ヒ

CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC

一2ユ1　　－1．59 －0．64　　－0．37

915853242655565536155586670742306043706986984670787826333531163379110237012231756824540322330101100013211232231132203210111200200

一一一一一一一　一一一一一一一一一一一一一｝一一　一一一一一　一　一　一　　　一

一一一　一一一一　一一一一一一「一一　一一一一一　一一　一一　一　一　一　　一一

790323901176652183653546037208220400377811574222129281666221388380184056037707821116601333330111100022212221331122213001012200001

1＆1．。｝｛

∩UO

0000001010111100000000101000000000001100111

ref．＊＊ つ」う0

3333333333333333333333333313333003023322322

QSARs　of　environmental　estrogens

Table　l（continued）

no． cornpound formula

logiO　RBA obs’d　　calc’d

1234567899999999

99 100 101 102 103 104 105 106

789012345670001111111111111111111

118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 17！7－estradiol 17fi－estriol 6α一hydroxy－estradiol 4－hydroxy－estradiol 2－hydroxy－estradiol 3．3二dihydroxyl　hexestrol nordihydroguariaretic　acid 4－ethyl－7－OH－3－（p－methoxyphenyl）－ ditiy’dro－1－benzopyran－2－one α一zearalenol β一zearalenol zearalanone α一zearalano1 β一zearalanol hexestrol　monomethyi　ether 3－methylestriol p－（α．β一diethyl－♪－methylphenethyl）－meso－ phenol mestilbo1 5α一androstane－3α．17β一diol doisyrloestrol aurin phenol　red 2．6－dimethyl　hexestrol triphenylethylene ethynylestradiol diethylstilbestrol　dimethyl　ether norethynodrel 16fi－hydroxy－16－methyl－17β一estradio1 3－methyl　ether phenolphthalein phenolphthalin mestranol moxestrol tamoxifen toremifene ctomiphene 4－hydroxytamoxifen drolox迂ene nafoxidine ICI　164384 C18H2402 ClgH2403 ClsH240：3 Cl8H2．103 CtsH2，403 C18H2204 ClsH2204 CisE［lsO．1 ClsH2405 C18H2405 ClsHz、10s Cl8H2605 C］6H2605 ClgH2402 ClgH2603 ClgH240 C］gHL？L・02 ClgH3002 ClgH2L」O：l ClgHl．103 Clf）Hl，IOt」S C20H2602 C20Hi6 CL，oHL？40L・ C20H2402 C20H2602 C20H2803 C20H1．；04 C2し）HtfiO．9 C21H2502 C2［H2603

C26H2gNO

C26H28ClNO C26H28CINO C26H2gNO2 C211H2gNO2 C2gH3］NO2 C34H55NO3 　2．00　　　1．05 　0．99　　－0．15 －0ユ5　　－0．15 　1．82　　　1．59 　1．47　　　1．64 　1．19　　　1．72 －1．51　　　0．14 －0．05　　－0．28 　1．63　　　0．32 －0．69　　　0．25 　0．32　　－0．33 　1．48　　　090 －0，19　　　0．84 　0．97　　　0．63 －1．65　　－1．53 　0．60　　－091 　1．31　　　0．34 －0．92　　　0，01 －2．74　　－2．42 －1．50　　－1．15 －3．25　　－2．63 　1．11　　　0．43 －2．78　　－1．43 　2．28　　　2．16 －L25　　　0．04 －0．65　　　0．35 －1．48　　－1．82 一1．87 －3．67 　0．35 　1．14 　0．21 　0．14 －0．14 　2．24 　1．18 －0．14 　1．16 一〇．33 －2．73 　0．32 　0．29 　0．15 　0．16 　0．16 　0．69 　0．69 －O．14 　2．96 ＊See　Tab▲e　2． ＊＊ P）Waller　et　al．，1996：2）Blair　et　al．、2000：3）Shi　et　al．，2001． Is，1．OH

11111100

11011100

01000001000

00000000001

15

ref．＊＊

22233333

33333333

33333333333

33333333333

16

_{Takahiro　SuzuKI　and　Stuart　SHAplRo}

OH

1

　　m

HO

5

H

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’， 　　　　　　　OH 2

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10 　　　　Cl H°

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Cl Cl H° 　　　　　　　Cl

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　OH

8

CI　O

＼

4 Cl

0

Cl 12 Cl C1［

　CICI　Cl

HO

Cl Cl 16 13 Cl

　OH

グ 　　1 ＼ 　＼ 　ノ 　　　C1 20

＼ノ

／ー＼

＼ノ

17

OH

14 18

OH

15 　　　　　　　　　OH 　　　　　　　ヘ 　　　　　　　　　グ　　　　　　　1

　　　　　　　「　　　　　　　　　ノ

　　　　　　　　＼ 　　　　　　　Cl 　　　　　　　　グ　　　　　　　グ

　　　　　　　1　　　　　　　　＼

　　　　　　　　＼ 　　　　　　　　　Cl　　　　　　OH 　　　　　　　　21　　　　　　22 Fig．2．　Chemical　structures　of　the　compounds　in　Table　l． ：〕〔）．Cl ，，． 　　　Cl 19

㎝め山◇曇

QSARs　of　environmental　estrogens

HO

0

　へ 　∠

OH

28

／＼

へ〃 24

OH

HO

。9

　25

HO

H

O9

　2

HO

HO

　　　グ 　　　＼ 、∠ 26 C1

HO

31

㎝人」

H　　H

グ 　　　d ＼

　OH

34 CI 1

、で㎝

37

＼∠

OH

HO

Cl Cl

0

32

㎝⊥」

ベア皿額

CI グ ＼

　OH

38

0

グ＼

OH

OH

Fig．2　（continued） Cl 30 　、1 　∠

　OH

27 　へ 「

　h

、r㎝

へ∠

㎝人ー丁

グ 　　　｜ 　＼ 　　OH 33 36

0

グ 　　1 ＼

OH

　39

へ∠

O

Cl

17

OH

’i。　　　∵s”’XPIR°

℃し・－H°

　　　　　　　　O 　　　　　　OH 　　　　　　40　　　　　　41 　HO　　　　　　　HO 　　　　　　O 　　　　　　43　　　　　　44 　　　　　　0H 　　　　　　　Cl HO　　　　　　OH 　　　　　　／0 　　　　　　　　46　　　　　　47 　　　　　　　0H 　　　　　　　グ 　　　　　　プ　　o　＼1 　　　　　　＼l 　　　HO　　　　　　　O 　　　　　　　O 　　　　　　　　　49　　　　　　　50 　　　　　　グ　　　　　　HO 　　　　　　　　　O　　　　　　　HO 　　　　　グ 　　　　　＼

　HO

　　　　　　　　　O　　　　　　　O 　　　　　　　52　　　　　　53 　　　　　　　0H

HO

℃Y・一し一　　　H°

　　　　　　　O　　　　　　HO 　　　　　　O 　　　　　　　　55　　　　　　　56 　　　　　　　Fig．2　（continued）

HO

Cl Cl

O

42 　　　45

Cl　グ

　　　　＼ グ 　　　「 ＼ ／0 48

　0

OH

51 4 5

A…

57

OH

H

O

H

O

HO

HO

HO

HO

HO

0

61

80

［O

OH

OH　O

　　64

07

　6

O

70

HO

73

OH

H

O

H

O

HH

OO

0／ QSARs　of　environmental　estrogens HO　　　　　O 　　　　　　　59

HO

　　　　　OH　O 　　　　　　　62

HO　　　　　OH

　　　グ 　　　＼ 　　　　OH　O 　　　　　　65

OH

　　　　　　HO

_OH

OH

　　　　　HO 　　　　　HO

HO

Cl

OH　O

　　68

。ミ℃｝

　　r 71

ー0

／0

　74 Fig．2　（continued）

OH

OH

00

　6

HO

HO

HO

OH　O

63 　19

0H

OH　O

66

OH

OH　O

　　69

O

㎝人」

グ 　　1 ＼

　OH

72 75

OH

HH

OO

O／

20

／O

0

OH　O

76

O

OH

Takahiro　SuzuKI　and　Stuart　SHApIRo

HO

グ＼

OH

77

H

HO

0

H

H

H

78

HO

OH

＼／

グ＼

［H 一H 79 80 81

HO

HO

82 84

OH

　　　　HO

HO

85

OH

HO

83

0

86

QH

HO

87

O

HO

88，89 Fig．2　（continued〕

OH

HO

90

H

QSARs　of　environmental　estrogens

21

OH

HO

HO

00HH

HO

OH

91

OH

OH

94 　　97

0　　0H

100

HHOO

OH

HO

O

＼O

グ＼

92

H

H　　H

H

O，

H

O

＞

OH

95

0

80

9

OH

OH

H

O

1 0 1

HO

HO

HO

　　　　　H

＼　i　三

　　　H　　H ／ 　　　OH 　　93

　0H

96

　H

－0

O

OH

HO

99

O

OH

OH

H

O

2 0 1

OH

HO

O

OH

103

OH

HO

0／

　　104 Fig．2　（continued） 105

O＼

OH

22

＼ 106

HO

109

OH

、，．．．／L，，　COOH ”・・、t。／ 112 〔）／

H

O

e Takahiro　SuzじKI　and　Stuart　SHAplRo

0

㎝⊥〕

CT、・㎝

　　1

OH

110

　グS

　　＼

グ＼ ク＼ 3 1 1

OH

．．．、．Ll“多

OH

HO

HO

OH

H＼ 8 0 1

O

H

H

H

／O

l11

OH

114

HO

OH

OH

OH

　、1、多

OH

O

HO

HO

ll5 119

OH

116 ll7

OH

1、、、多 　　　120 Fig．2　（continued）

HO

118 121

OH

QSARs　of　environmental　estrogens

23

＼N～O

　l 122

＼N～0

　1 123 Cl

　、

XvN－　x／xo 124

＼N～O

　］

OH

HO

＼N〜o

一〇

O

125 126 127

OH

HO

O

N－（CHz）3 ／ 128 Fig．2　（continued） （Higuchi　et　aL，1965）．　An　excess　of　guest　molecule　was　added　to　solutions　containing increasing　concentrations　ofβ一CD　or　2－HP二β一CD；after　equilibration　by　shaking　at　25 ℃for　7－10　days．　an　aliquot　was　centrifuged　the　supernate　filtered．　and　the　filtrate analyzed　spectrophotometrically　at　220nm（25℃）after　dilution　with　water．　Kdiss，1、1‘ was　calculated　from　the　initial　slope　of　phase　solubility　diagrams　and　aqueous　solubility according　to　eq（2）（Uekama，1983）． Kdis㍉】；lI＝slope／［intercept・（1－slope）］ （2）

24

Takahiro　SuzUKI　and　Stuart　SHAPIRO

Table　2．　Structural　fragrnents　and　their　contribution　to　log　RBA　for　ER一α． fragment　or　parameter no．　of　compds freq　of　occurrence contribution

constant lz lZ2 八Jonring　In（rre〃2ents －CH3 －CH2－ ＞CH－ ＞C〈 ＝CH－ ＝C＜ －C≡CH ノ～ing∫ncre〃2ents －CH2－ ＞CH－ ＞C＜ ＝CH－ ＝C〈 Oxygen　Incre〃le〃ts －OH（alcoho1） －OH（phenol） －0－（nonring） －O－（ring） ＞C＝O（nonring） ＞C＝O（ring） －COOH（acid） －COO－　（ester） OH－一一〇H＊ ハJitrogen力tcアθ〃lents ＞N－（nonring） ＞N－（ring） Other　Incre〃lents －Cl －SO2－ ＞Si＜

882211

7352n◎447411　

1

り09α4ρ07

33ワρ22　　　11

383397456

ウ臼022　

2　

ーワ・

　1

⊂」－

89匂1

1

800

9白2

1 1

3213564

∩δ22112

11

238Q42

7Q∨312

1　　　8⊂O

815307456

282212　12

　1

⊂」－

5ワ臼2

4 一4．89 　0．0415 －6．1×10－5 －0．09 　0．17 　0．73

　L18

　0，19 　1．51 　0．87 　0．23 　0，42 　0．63 －0．05 　0．71 －1．41 －O．23 －0．46 －0，94 －0．18 －0．66 －2．21 　0．29 　1．54 －O，42 －1．69 －0，27 －LO7 　0，59 ＊The　incidence　of　this　parameter　is　shown　in　Table　1，

3．Results　and　Discussion

　　Many　experimental　and　theoretical　descriptors　are　related　to　molecular　size　or　bulk， but　unlike　parameters　such　as　molecular　volume，　rnolecular　surface　area，　or　molar refractivity，　molecular　weight　and　topological　indices　can　be　calculated　easily　with　high precision　without　any　conditionaユassumptions．　Therefore，　regression　analyses　were　per－ formed　using　the　experimental　RBAs　Iisted　in　Table　1，　assuming∬near　and　quadratic

QSARs　of　environmental　estrogens

25

OH

HO

1 、ノ

グ㍉016

lH91

、ノ

H

Cl

H

［－CH3コ＋4［＝CH－（Ring）］＋2［＝CH－（Ring）］＋［OH（phenol）］

H

O

、ミξ 8［＝CH－（Ring）］＋4［＝CH－（Ring）］＋2［－C1］ ［－CH3］＋6［－CH2－（Ring）］＋3［＝CH－（Ring）］＋4［＞CH－（Ring）］＋ 3［＝C〈〔Ring）］＋［＞C＜〔Ring）］＋［－OH（alcohol）］＋［－OH（phenol）コ Fig．3．　ExampIes　of　decomposition　of　molecules　to　molecular　fragments． terms　for　molecular　weight，　oZ，　or　iZ　and　summation　of　fragrnent　constants　2（nドGi）． For　this　data　set　the　best　GCM　was　obtained　with　the丘rst－order　Kier－Hall　molecular connectivity　index　1ノど： loglo　RBA＝O．0415　iZ－6．1×10“s（IZ）2＋Σ（ni　’　Gi）－4．89 （n＝128，r2＝O．848，　q2＝O．654，　SD＝0．345，　absolute　ME＝0．538，　F＝19．8） （3）

where

n＝sample　size， r2ニindex　of　determination， q2＝cross－validated　leave－one－out　index　of　determination，

SD＝standard　deviation，

absolute　ME＝absolute　mean　error，　and F＝Fisher　distribution　statistic． 　　The　statistical　quality　of　eq（3）was　slightly　reduced　if　the］Z　and（IZ）2terms　were omitted．　Good　models　also　were　obtained　using〔’Z　or　Mw　instead　of　LZ． 　　Aplot　of　experimental　loglo　RBA　values　vs．　calculated　logio　RBA　values　obtained from　eq（3）for　the　complete　data　set（nニ128）is　shown　in　Figure　4．　A　reasonable且t was　found　for　molecules　of　diverse　chemical　type　comprising　the　data　set．　Except　one parameter，　viz．　two　oxygen　atoms　having　cooperative　hydrogen　bonding　with　ER一α， such　as　occurs　in　molecules　like　1　7fi－estradiol　and　diethylstilbestrol（loH＿oH），　all　struc一

26

Takahiro　SuzuKI　and　Stuart　SHAPIRO ＜口出c成。三£旦己罵O 4 3 2 1 0 一1 一2 一3 一4 一5 　　　　　　◆◆・ 　　　　　　　●　　　　　　　　．・’ 　　　　　　　．●．・ 　　　　　　　・．．．・δど 　　　　　　　一ρ” 　　◆・■■・◆ 　・． ⑨・ 　◆●？◆ ．◆ 一5 一4 一3 _{一2　　－1　　0　　　1} 　　0bserved　logio　RBA 2 3 4 Fig．4．　Correlation　between　caiculated（eq（3））and　experimental　logit］RBAs 　　　　　　for　ER一αwith　l28（xeno）estrogens． tural　fragments　correspond　to　those　described　in　a　previous　study　on　free　energies　of inclusion　complexation　of　organic　molecules（Suzuki．2001）．　　　　　． 　　The　contributions　of　lZ，（IZ）2，　and　ligand　fragments　to　the　RBA　fbr　ER一αis　reflect－ ed　in　the　vaIues　of　the　regression　coef丘cients　for　the　topological　indices　and　weightings

of　individual　fragments（Table　2）．　Fragment　constants　for　most　carbon　moieties

（except－CH3　and＝CH－（ring），　whose　contributions　are　very　close　to　O）　were＞0，　i．e． they　enhanced　ligand　binding　to　ER一α，　indicating　a　positive　impact　of　van　der　Waals forces　on　the　stability　of　receptor－ligand　complexes．　In　contrast，　with　two　exceptions （－COO－（ester），＞Si〈）fragments　containing　heteroatoms　impacted　negatively　on　the stability　of　receptor－1igand　complexes。　The　high　fragment　constant　for　OH－一一〇H，＋ 1．54is　attributable　to　the　importance　of　hydrogen　bonding　for　ligand　binding　to　ER一α． However，　the　fragment　constant　for　phenolic　hydroxyl　is　only－0．23，　implying　that phenols　per　se　modestly　destabilize　the　receptor－ligand　complex；whereas　the　frag－ ment　constant　of－L41　for　non－aromatic　hydroxyl　groups　indicates　that　this　moiety has　a　pronouonced　destabilizing　effect　on　receptor－ligand　complexes．　A　negative　effect of　aliphatic－OH　groups　on　the　stability　ofβ一CD：guest　inclusion　complexes　has　been described　previously（Suzuki，2001）． Correlation　of　bindin　stabilities　of　rece　tor－li　and　com　lexes　and　－CDl　est 　　Gibbs’free　energies　of　complexation　forノβ一CD：guest　complexes　with　l　l　structurally diverse（xeno）estrogens（Figure　5），　and　Gibbs’free　energies　for　these　same　com－ pounds　bound　to　ER一αwere　calculated　from

QSARs　of　environmental　estrogens

27

llCC

1、

C

CI Cl 　　　　　　Cl CI　　　Cl 12．kepone Cl Cl

＼O

0

Cl

HO

o〆＼

74，methoxychlor

0

＼1／

ノ＼

0

92．17β一estriol

O／

42．4－nonylphenol

HO

OH

＼1／

／＼

…川llOH 86，estrone

HO

㎝メ〉

0

HO

HO

45．bisphenol　A

＼1／

ノ＼

91．17β一estradiol

OH

り’lltt≡

OH

OH

114．ethynyl　estradiol

o－Xv，＿

　　　　O

Oxx／

O！S

_

　　　　0 C1 Cl 　　129．dト〃－butyl　phthalate　　　　l30，　butyl　benzyl　phthalate　（BBP）　　　　　　13Lα一benzoepin Fig．5．　Xenoestrogens　used　to　construct　a　correlation　between　their∠Gof　binding　to　ER一αand　A　G　of 　　　　　complexation　to　！7－CDs．

28

Takahiro　SuzuKI　and　Stuart　SHApIRo 0 一5

ロー10

_o E≧

巴一15

∩

0

6－20

巨

o

_弍　一25 一30 β一CD 一35 　　－　30

4●

H

一20

　6

●8

2●

9

　45

2竃▼ 1 　一10　　　　　　0 AG　for　ER一α［kJ／mo1］

12gd

10 ● 　131 20 0 一5 10

_{@　15　　20　　25}

　　　　　　　　　一　　　　一 ［る已＼重］口O﹄﹂口O弍 一30 一35 　　－30 一20 　一　10　　　　　　0 AG　for　ER一α［kJ／mol］ 10 20 Fig．6．　Plots　of　experimental　AG　of　binding　of（xeno）extrogens　to　ER一αvs．　experimental 　　　　　　AG　of　complexation　of（xeno）extrogens　to　！7－CDs． ∠G＝－2．303RT　loglo　K， （4） where　K＝Kdis㍉1、加for　theβ一CD：guest　complex　and　K＝equilibriurn　dissociation　con－ stant（Uekama　et　aL，1983）for　the　receptor－ligand　complex，　Figure　6　compares　experi－ mental　free　energies　of　complexation　for（xeno）estrogens　with　／7－CDs　vs．　experimental free　energies　of　binding　of　these（xeno）estrogens　with　ER一α．　A　slightly　better　correla－ tion　was　obtained　for　the　free　energies　of　2－HP⊃∠ヲーCD：（xeno）estrogen　vs．　ER一α：

QSARs　of　environmental　estrogens

29

（xeno）estrogen（r2＝α661）than　for　the　free　energies　of　naturalβ一CD： 乙1∫．ER一α：（xeno）estrogen（r2＝0．581）． （xeno）eStrogen ∠G（naturalβ一CD）＝O．265　A　G［ER一α：（xeno）estrogen］－19．46 （n＝11，r2＝0．581，　SD　＝3．03，　F＝12．6） （5） ∠G（2－HPうβ一CD）＝0．315∠I　G［ER一α：（xeno）estrogen］－20．31 （n＝ILr2　＝　O、661，SD＝3．04，F＝17．5） （6） 　　The　slight　discrepancy　in　statistical　quality　between　eqs（5）and（6）may，　to　some extent，　re且ect　more　precise　Kdiss〔1、pvalues　fbr　the　2－HPっβ一CD　complexes，　since　2－HP一 β一CD　is　much　more　soluble　in　aqueous　milieux　than　nativeβ℃D（Loftsson　and　Duch－ 6ne，2007）．　Nonetheless，　reasonably　linear　relationships　exist　for（xeno）estrogen　bind－ ing　toノβ一CDs　vs．（xerlo）estrogen　binding　to　ER一α，　suggesting　thatβ一CD：（xeno） estrogen　systems．　and　particularly　the　2－HPっθ一CD：（xeno）estrogen　system，　can　func－ tion　as　alternatives　to　receptor　binding　studies　and　animal　experimentation　Ibr　project－ ing　Potential　xenoestrogenic　activity　expressed　as　relative　binding　affinity　to　rat　uter－ 1ne　estrogen　receptor一α．

4．Conclusions

　　AGMC　for　predicting　the　estrogenic　activity　of　chemicals　was　developed　Results obtained　using　a　training　set　comprised　of　128　compounds　demonstrated　that　predic－ tion　of　RBAs　of　molecules　to　rat　uterine　ER一αcan　be　achieved　with　reasonable　accu・ racy　using　the　first－order　molecular　connectivity　index　IZ　in　combination　with　molecu－ lar　fragments．　To　the　best　knowledge　of　the　authors，　this　work　represents　the　first application　of　GCMs　or　additive　schemes　to　the　quanti丘cation　of　ligand　binding　to　ERs． This　method　should　prove　especially　useful　for　the　prioritization　or　preliminary　screen－ ing　of　chemicals　for　their　potential　to　cause　endocrine　disruption．

Acknowledgement

The　author　acknowledges　Mr．　Teppei　Ito　for　his　help　collecting　the　data　for　this　study．

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要　旨

種々のエストロゲン様物質のβ一シクロデキストリン複合体形成能

　　　　　　　　とのアナロジーに基づく構造活性相関

鈴木孝弘，Stuart　Shapiro

　化学物質の内分泌かく乱作用を調べるためには、培養細胞や動物を使った生物学的検定

法が有効とされている。しかし、膨大な数に増え続けている化学物質を、一つ一つ生物学

的手法で調べることは時間とコスト面から実質的に困難である。本研究では、種々のエス

トロゲン様化学物質128種について、エストロゲン受容体への結合能と化学構造との相

関を調べ、化学物質のエストロゲン様作用を分子のサイズを考慮した原子団寄与法により

予測する手法を構築した。さらに、この化学物質：エストロゲン受容体結合系と化学物質：

β一シクロデキストリン複合体形成系とのアナロジーに着目して、これら2つの系の関係

を検討したところ、r2の値で0．6－0．7と統計的に有意な相関を見出した。これより、こ

れら2つの系には、化学物質が相互作用する空間的な形の違いはあるが、その結合に関す

るドライビングフォースには、きわめて類似の性質があることを確認した。