不是原配也可以-對接非原生配體

最新 06-20

Docking非原生配體

在前面的例子中，能把配體構象調整到幾乎原生的構象，驗證了這一預測方法的準確度。下面，我們嘗試docking另外一個配體藥物，來展示如何尋找小分子在蛋白內的結合位點。這個過程可以進一步地凝練和擴展作為「虛擬篩選(virtual screening)」的步驟。

重複上述步驟執行docking

獲取nelfinavir.pdb：為教程提供的pdb文件(可從獲得)

按照上述步驟對配體文件進行預處理獲得格式文件。

修改配置文件，執行Docking，輸出日誌如下，並用可視化結果。

評估docking結果

對這個例子來講，PDB中存在nelfinavir與HIV-1蛋白酶的晶體結構(1OHR)，可以作為金標準來檢測docking的準確性。

PyMOL中導入文件，在對象面板中依次點選------。從圖中可以看到這兩個蛋白酶體在空間的方向不同，因此我們需要重新比對這兩個結構，運行，可以看到兩個結構完全重合了。

You may have observed that moving the structure around the window is a bit difficult since the origin of the view has been altered when you loaded 1OHR.pdb. To reset it, try:，運行之後沒有看到變化。

Docking結果展示。第一張圖表示2個晶體結構align前的展示；第二張圖表示2個晶體align後重合在了一起。白色化合物為1OHR PDB晶體結構中配體nelfinavir的構象，視為金標準。紅色為本教程的結果(只加極性氫)。

展示PDB文件中的蛋白結合的化合物提取中的，運行；在對象面板更改其展示方式，依次點選---。通過與金標準比對，判斷哪個構象是預測的最佳模式。

Docking第一張圖表示AutoDock Vina輸出結果的Best Mode與金標準的比對情況；第二張圖表示AutoDock Vina輸出結果的Second Best Mode與金標準的比對情況；白色化合物為1OHR PDB晶體結構中配體nelfinavir的構象，視為金標準。紅色為本教程的結果(只加極性氫)。

結果看到看上去吻合的更好，為什麼呢？從日誌的結合能量來看，和只差了0.2。

那麼還有一個問題，1SHG的chainA與1OHR的chainA是不是一個呢？我們比對1OHR的chainA與1HSG的chainB，。

Docking結果展示。第一張圖表示2個晶體結構align後重合在了一起。第二張圖表示1OHR的chainA與1HSG的chainB比對的結果。白色化合物為1OHR PDB晶體結構中配體nelfinavir的構象，視為金標準。紅色為本教程的預測的second best mode結果(只加極性氫)。用PyMOL在蛋白表面搭建靜電層 (electrostatic surface)

靜電作用在分子docking過程中發揮著重要的作用，接下來將觀察靜電力是如何與配體作用的。前面提到，PDB結構中不包含原子的局部電荷信息，而這對靜電力場的計算是很重要的。因此我們需要給PDB文件中增加這一數據。

在Windows下，直接下載使用默認的安裝目錄安裝即可；解壓縮到; 路徑中不能有空格。

設置環境變數：--------

安裝完成之後，啟動PyMOL，會在下看到。

在Lunux下，尚未試驗。

打開PyMOL並讀入，然後通過下述步驟啟動並配置APBS，依次點擊菜單或按鈕:

- - - (這步操作是給PDB文件中的每個原子加氫、局部電荷和計算原子半徑;This adds hydrogens and assignspartial charges and atomic radii to each atom in the PDB file.)

- (點擊後定義了一個保護蛋白的框，但並未顯示，因此點擊後看不到框，但可以看到一系列的計算過程體現在展示界面。This defines a grid that encloses theprotein, but Grid is not displayed on the screen) - - (相當於0.15摩爾的陽離子和陰離子, which is equivalent of 0.15M cations and anions)

按圖設置APBS和pdb2pqr的路徑 - - -(如果出現Unable to open file error，運行命令) -

左圖為配置加氫的參數；中圖是設置GRID；右圖為設置可執行文件的路徑左圖是展示APBS計算結果；中圖為計算結果路徑；右圖為結果展示

靜電等高線圖(Electrostatic isocontours)

PyMOL makes this step very easy: adjust the positive and negative 「Contour」 fields to the desired values (usually ±1, ±5, or ±10 kT/e) and hit the Positive Isosurface and Negative Isosurface and Show buttons.

±1 kT/e electrostatic potential isocontours of FAS2 in PyMOL

If the colors are not as you expect, you can change the colors of the objects and in the main menu. By convention (for electrostatics in chemistry), is (think oxygen atoms in carboxyl groups) and (think nitrogen atoms in amines).

得到這個圖之後，我們首先需要看配體是否落在受體的」口袋」里；然後檢查配體與受體之間原子的化學匹配，如配體中的碳原子應該與受體的疏水原子結合, 氮原子和氧原子與其受體中相近原子結合；然後看有沒有電荷互補；最後根據已有知識查看結合q區域有沒有包括蛋白的活性位點, 以及活性位點怎麼與受體相互作用的。

用ADT可視化結果

導入Vina輸出結果：打開ADT依次點選---選擇dockingResult.pdbqtSingle molecular with multiple conformations`。

導入蛋白結構：---

左圖是Vina結果展示；右圖為蛋白結果展示

展示相互作用: --

This display is radically different: the viewerbackground color is white, the ligand is displayed witha solvent-excluded molecular surface, atoms in thereceptor which are hydrogen-bonded or in close-contactto atoms in the ligand are shown as spheres ANDpieces of secondary structure are shown for sequencesof 3 or more residues in the receptor which areinteracting with the ligand. The GUI for this commandlets you turn on and off different parts of thisspecialized display as well as list interactions in thepython shell.

配體與受體作用展示, 使用方向鍵切換不同的配體構象虛擬篩選

準備受體文件。【註：腳本在目錄mgltools_x86_64Linux2_1.5.6/MGLToolsPckgs/AutoDockTools/Utilities24下, 自行添加到環境變數或參照軟體安裝部分】

準備配體文件。

還有關鍵一步是確定搜索空間，書寫conf.txt文件。可以簡單的以蛋白的中心為搜索空間的中心，蛋白各個維度坐標值的標準差、極差及其組合分別作為搜索空間的大小；在大範圍搜索結束後，根據docking結果再重新選取Docking小分子的中心為搜索空間的中心，其各個維度坐標值的標準差、極差及其組合分別作為搜索空間的大小，再進行精細搜索。

執行Docking

和支持格式文件。

FAQ

怎麼判斷哪個是想要的結果？

When the results are sorted by lowest-energy, the compounds which bind as well as your positive control or better can be considered potential hits. (Remember to allow for the ~2.1 kcal/mol standard error of AutoDock). If you have no positive control, consider the compounds with the lowest energies as potential hits.)

怎麼分析結果？

Sort them by lowest energy first, then use ADT to inspect the quality of the binding. Generally it is wise to inspect the top 30 to 50 results.

可視化結果時關注哪些方面?

A: The first thing to check is that the ligand is docking into somekind ofpocketon the receptor. The second is that there is achemical matchbetween the atoms in the ligand and those inthe receptor. For example, check that carbon atoms in the ligand are near hydrophobic atoms in the receptor whilenitrogens and oxygens in the ligand are near similar atoms inthe binding pocket. Check forcharge complementarity. Checkwhatever else you may know about your particular system: forinstance, if you know that the enzymatic action of your proteininvolves aparticular residue, examine how the ligand binds tothat residue. In the case of HIV protease, good inhibitors bindin a mode which mimics the transition state.

配體小分子獲取

NCI Diversity Set

To expedite drug discovery, the National Cancer Institute maintains aresource of more than 140, 000 synthetic chemicals and 80, 000 naturalproducts for which it can provide samples for high-through-put screening(HTS). The NCI Diversity Set is a collection of 1990 compounds selectedto represent the structural diversity in the whole resource.

ZINC

ZINC Is Not Commerical is a free database of over 4.6 millioncommercially-available compounds for virtual screening(blaster.docking.org/zinc).

如何繪製小分子？

使用Gaussview從頭畫出配體的空間結構模型保存為mol2文件，稍微複雜的分子在畫完後需要做一下量子化學水平的結構優化

如果配體十分複雜，可以先使用ChemDraw或ChemBioDraw畫出配體結構的平面圖，保存成cdx後綴的文件，然後使用OpenBabel轉換成mol2文件 [參數輸出立體結構]。

SDF文件轉mol2, 。

始終需要加氫嗎？

Yes, for both the macromolecule and the ligand, you shouldalways add hydrogens, compute Gasteiger charges and thenyou must merge the non-polar hydrogens. Polar hydrogens arehydrogens that are bonded to electronegative atoms likeoxygen and nitrogen. Non-polar hydrogens are hydrogensbonded to carbon atoms.

可以使用AutoDock確認潛在的結合位點嗎？

如果不知道配體在受體上的結合位點，就設置一個大到足夠覆蓋整個受體蛋白表面的長方體（在每個維度設置更多的grid points，加大grid spacing）。然後執行Docking。利用這次分子對接的結果再針對性的設定Grid的大小和位置，再執行Docking。如果蛋白特別大，那麼可以分多次設置Grid，如第一次覆蓋蛋白上面2/3, 第二次覆蓋中間2/3，第三次覆蓋下面2/3等。

確定大分子活性位點方法總結

在PyMOL中, 載入兩個蛋白

用align 將未知活性位點的蛋白與配體-受體蛋白進行比對

標記未知活性位點的蛋白殘基

保存比對並標記過的未知活性位點蛋白

查閱文獻，根據文獻報道找到活性位點。

如果有受體-配體的三維結構，則可以運用配體擴張法，確定活性位點，就是以配體的位置為中心，再向外擴增一定範圍，一般為6.5到9埃，這個範圍的受體殘基就構成了相關的活性位點。

利用分子空洞技術列如MOE中的site Finder模塊，然後根據經驗規律，（疏水殘基最多的空洞為活性位點）判斷活性位點。

Discovery Studio Visualizer (free)觀察配體結合位點，也可試試from PDB Site records或from receptor cavities確定活性位點。

有一個活性位點預測網上伺服器 Q-Site Finder 地址http://www.modelling.leeds.ac.uk/qsitefinder/

找一個序列結構類似的有配體-受體複合物的3D結構，與未知活性位點的蛋白進行對比：

如果某一蛋白受體有多個晶體。我們要從中選擇那一個比較好呢？：