结构生物信息学系列之分子对接(一)

随着第一个蛋白晶体结构被解析出来,人们开始意识到一种“合理”的药物设计方法,即将小分子化合物对接到蛋白靶标上来模拟天然分子识别的过程,并对结果进行排序。从上世纪80年代第一个分子对接软件DOCK问世以来,分子对接(molecular docking)方法不断发展,利用对接来探究小分子与蛋白的结合口袋(binding site)之间的相互作用,已经成为药物设计中非常流行的一种模拟方法,也是常用的虚拟筛?。╲irtual screening)策略。这一期,我们先来介绍分子对接的基本理论。

对于蛋白结合位点的了解能大大提高对接效率。一般来说,结合位点是事先指定的,可以是蛋白-小分子复合物晶体结构中小分子的位点,如下图;也可以是通过计算方法预测的口袋,预测口袋的软件有很多,比如Fpocket(http://fpocket.sourceforge.net/),POCASA(http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g6/Research/POCASA_e.html)等。如果没有指定口袋,这样的对接方式叫做盲对接(blind docking),对接的准确性无法保证。

对接可以分为两个部分,即采样(sampling)和打分(scoring)。采样包括小分子三维构象的采样和小分子在结合位点的构象(conformation)和方向(orientation)的采样。由于小分子的可旋转键是有限的,理论上对于一个小分子二维结构,我们可以找出其所有的可能的构象,但是这样太消耗计算资源(10个可旋转键的分子有超过59000个构象),所以构象采样就是需要找出位于小分子势能表面极小值点(低能)的构象,如下图。在重复晶体结构中小分子结合构象方面,许多开源软件(RDKit,Frog2,Confab)等软件的性能已经几乎与商业软件相当。

如何确定小分子在口袋的结合模式(binding pose)是分子对接的关键。在早期,研究人员基于口袋形状和化学性质来把配体分子映射到口袋,这种方法称为匹配算法(matching algorithm)。在这个方法中,小分子和蛋白都被视作药效团(pharmacophore),根据药效团和小分子之间的距离矩阵来确定构象。这种方法的优势是速度快,因此能用于筛选大的化合物库?;褂幸恢质潜怀莆ソ浇5姆椒?,在对接前小分子被分割成多个片段(fragment),将其中一个的片段首先放入口袋中,该片段往往起到稳定整个分子的作用,然后不断添加剩下的片段来生长成配体分子,如下图所示。其他的方法还包括随机采样,代表性的是蒙特卡洛模拟和遗传算法(genetic algorithm),其中遗传算法受达尔文进化论的启发,配体的自由度被编码成二进制序列来表示基因,基因组成染色体来代表配体的构象,通过基因的突变和互换来生成新的构象,最后通过打分函数来评价。最后,还有一种是基于分子动力学(molecular dynamics)的方法,它可以对蛋白和配体结构进行在一个时间尺度上进行采样,该方法可以充分考虑配体的柔性,但有时很难跨过构象壁垒易而陷入局部最小,这种方法也叫做集成对接(ensemble docking)。

打分函数(scoring function)是分子对接中的另一个关键,好的打分函数能区分正确的配体结合模式和错误的结合模式,或者是阳性化合物和阴性化合物。一般来说,打分函数可以分为基于力场的和基于经验和知识的?;诹Τ〉拇蚍趾嶙酆峡悸欠羌嗷プ饔?,包括静电作用和范德华力,以及溶剂化和熵变的贡献,然后计算这些贡献的总和来预测结合能。打分后的构象还可以通过自由能扰动(free energy perturbation)来进行优化,来提高精度?;褂幸恢址椒ㄊ腔诰榈?,它把结合能分成多个能量项,比如氢键,离子键,疏水作用和熵效应,给每一个能量项乘上一个系数,最后计算总和来给出最终打分,如下图所示。系数可以通过对一组蛋白-配体复合物以及它们的实验确定的结合能进行回归分析得到?;谥兜拇蚍趾嵌愿春衔锞褰型臣品治?,来获取蛋白配体原子间作用的频率和距离,因为某个相互作用越重要那么它出现的频率就越多。这些频率的分布会转换成原子间势能。最后的打分会将一些重要的作用加分,而惩罚一些排斥性的作用。一致性打分(consensus scoring function)是近些年开始流行的一类打分函数,也就是综合各种分数来评估对接模式,该种方法可以大大提高虚拟筛选中阳性化合物的富集率。但如果各打分函数中有高度相关的项,该方法可能就不太实用了。

分子对接还有很多内容,比如刚性对接(rigid docking),柔性对接(flexible docking)等,就是在对接时将蛋白或者小分子视作刚性或柔性的分子,柔性对接就来自于诱导契合假说(induce-fit model),目前的大多对接软件都会将小分子看成是柔性的,而把蛋白口袋看作是刚性的。下一期我们会用一个例子来介绍如何用Autodock Vina进行分子对接。

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