分子对接与虚拟筛选

分子对接与虚拟筛选CaoYang2015.5.25MolecularDocking分子对接的概念预测受体和配体分子形成的复合物结构分子对接分为两类蛋白－蛋白分子对接蛋白－小分子的对接3分子对接的原理理论基础：“锁和钥匙模型”“诱导契合模型”重要原则：互补性：决定识别过程的选择性预组织性：决定识别过程的结合能力4分子对接的基本原理配体与受体的结合强度取决于结合的自由能变化∆G结合=∆H结合-T∆S结合=-RTlnKi许多分子对接法忽略了熵效应，而在焓效应也只考虑配体与受体的相互作用能，即：Einteraction=Evdw+Eelectrostatic+Eh-bond5分子对接的原理搜索算法：如何找到最佳的结合位置遗传算法模拟退火能量函数：如何评估结合强度基于分子力场的方法基于经验的方法基于知识统计的打分函数6789分子对接的分类刚性对接：研究体系的构象不发生变化。柔性对接：研究体系的构象是可以自由变化的。10受体的活性位点配体代表基团的空间匹配11分子对接的算法举例代表性对接软件名称构象搜索方法结合评价方法速度FlexX片段生长法半经验自由能快LigandFit蒙特卡罗模拟半经验自由能快Glide系统搜索半经验自由能一般Gold遗传算法半经验自由能快AutoDock遗传算法半经验自由能一般Dock片段生长法分子力场快ICM-Dock随机全局优化半经验自由能快Fred(openeye)系统搜索半经验自由能快12AutodockVina分子对接计算的注意点小分子问题起始构象对对接结果有一定影响对分子进行加电荷和加氢处理蛋白质问题如何选择合理的蛋白质活性位点对接问题搜索结合模式的正确性、对接的效率、评分的正确性采用多个软件进行评价，减少结合模式搜索误差定量指标，需要结合分子动力学进一步评价14对接方法尚需解决的问题：•分子的柔性•溶剂化效应•打分函数15传统的药物开发方法传统的药物开发方法•经验的有效天然产物↓•分离活性物质•合成化合物•↓•化合物的修饰•(更有效,降低副作用)Aspirin布洛芬是是公认的儿童首选抗炎药。药物设计与发现药物设计与发现•drugtargets(usuallyproteins)•bindingofligands•↓•“rational”drugdesign•(benefits=savedtimeand$$$)现代的药物开发方法现代的药物开发方法•区别在哪里？•药物开发从疾病入手(而不是已有的治疗方法)•应用疾病模型去寻找可能的药物靶点现代的药物开发方法现代的药物开发方法Disease→genetic/biologicaltarget↓Highthroughputscreen(HTS)-发现“hits”(compoundswithbindinginlownMtolowμMrange)↓Discoveryofa“lead”molecule-先导化合物（亲和力高，有修改潜力）现代的药物开发方法现代的药物开发方法↓•manipulatestructuretoincreasepotencyi.e.decreaseKitolownMaffinity↓•optimizationofleadmoleculeintocandidatedrugfulfillmentofrequiredpharmacologicalproperties:potency,absorption,bioavailability,metabolism,safety↓•clinicaltrials现状现状•超过90%的药物不能通过临床实验而被枪毙•平均一款全新药物的研发耗资超过数亿美元，耗时10年结构生物信息学对药物开发的影响结构生物信息学对药物开发的影响•SpeedsupkeystepsinDDprocessbycombiningaspectsofbioinformatics,structuralbiology,andstructure-baseddrugdesignBio-informaticsStructure-basedDrugDesignStructuralBiologyOhboy!Whataperfectmatch首先要建立大量化合物（例如几十至上百万个化合物）的三维结构数据库，然后将库中的分子逐一与靶标分子进行“对接”（docking），通过不断优化小分子化合物的位置（取向）以及分子内部柔性键的二面角（构象），寻找小分子化合物与靶标大分子作用的最佳构象，计算其相互作用及结合能。在库中所有分子均完成了对接计算之后，即可从中找出与靶标分子结合的最佳分子（前50名或前100名）虚拟筛选虚拟筛选包括4个步骤：受体模型的建立；小分子库的产生；计算机筛选和命中化合物的后处理。第一步，受体模型的建立：蛋白质结构的准备是虚拟筛选的重要一步。虚拟筛选的蛋白靶标的结构可以从PDB库中直接下载使用也可以通过和家族中同源蛋白的序列、结构信息比较，同源模建而得1）大分子结构获取虚拟筛选虚拟筛选2）接着是结合位点的描述，选择合适的配体结合口袋对分子对接至关重要一种是直接从配体－受体复合物结构中抽出；选择口袋有两种方式：如果没有复合物结构，则需要根据生物功能如结合、突变等实验信息来手动选择结合部位虚拟筛选虚拟筛选第二步，建立小分子数据库二维结构用结构转换程序如CORINA、CONCORD实现三维结构的转化。建好的三维结构加氢加电荷后，便可以用于对接程序。虚拟筛选虚拟筛选第三步，对接和打分，这一步是虚拟筛选的核心步骤。对接操作就是把每个小分子放到受体蛋白的配体结合位点，优化配体构像和位置，使之与受体有最佳的结合作用，给最佳结合构象打分，对所有化合物根据打分排序，然后从化合物库中挑出打分最高的小分子。虚拟筛选虚拟筛选最后一步是命中化合物的后处理通过计算分子的类药性质ADME/T(吸收absorption、器官分布distribution、体内代谢metabolism、排泄excretion和毒性toxicity)性质的估算，排除那些不具有类药性质的分子。可以利用一些经验规则如“五规则”等，快速排除那些不适合进一步药物开发的分子。虚拟筛选虚拟筛选通过以上四步处理，大部分分子从化合物库中剔除，形成一个合理大小的化合物库，仅对这些适合成药的化合物或购买、或合成、或分离得到，然后再进行实际的生物测试。虚拟筛选虚拟筛选在猪传染性胃肠炎病毒（TGEV）的主蛋白酶三维晶体结构的基础上，构建了SARS病毒的3C－like蛋白酶三维结构SARS病毒的3C-like蛋白酶的三维模建结构SARS冠状病毒3C－like蛋白酶在SARS病毒其他功能蛋白的形成过程中起重要作用，阻断SARS病毒3C－like蛋白酶的作用可以阻止SARS病毒的复制，并最终达到治疗SARS的目的SARS冠状病毒3C-like蛋白酶抑制剂的设计用DOCK初筛，从每一个数据库筛选结果中选择DOCK打分前1000名的分子，进一步做类药性分析和多种评价函数包括SYBYL中的Cscore打分函数和Autodock的经验自由能评价方法进行打分，再根据药物化学家的经验来进行人工挑选，最终对每个数据库选择100个分子进行生物测试，这次虚拟筛选找到300个可能具有抗SARS冠状病毒的候选化合物，发现了7个具有高活性的化合物，进一步的细胞水平的实验，发现5-HT受体拮抗剂具有明显的抗SARS病毒感染和保护细胞的作用，其EC50值小于10mg/LSARS冠状病毒3C-like蛋白酶抑制剂的设计同一结构家族的组织蛋白酶抑制剂分别与SARS冠状病毒3C-like蛋白酶和TGEV的主蛋白酶的复合物模型如图，从图中可以看出两者的作用模式也是十分类似。SARS病毒3C-like蛋白酶和TGEV主蛋白酶与抑制剂结合图SARS冠状病毒3C-like蛋白酶抑制剂的设计虚拟筛选的成功例子靶标靶标分类靶标结构小分子库大小所用方法抑制剂活性M实验数据AmpC-lactamseHydrolaseX-ray200kNWUDOCK26X-ray复合物BCR－ABLKinaseX-ray200kDOCK25细胞的抑制活性实验AnthraxEFAdenylylcyclaseX-ray200kNWUDOCK20酶动力学实验IMPDHDehydrogrnaseX-ray3500kFlexX30酶动力学实验CaseinkinaseIIKinaseHomology400kDOCK0.08抑制活性、构效关系K＋通道IonchannelHomology50kDOCK10细胞的抑制活性实验ThyroidhomonereceptorNuclearreceptorHomology250kICM0．75抑制活性实验CDK2KinaseX-ray50kLIDAEUS2X-ray复合物TGFRKKinaseX-ray200kCatalyst0．005X-ray复合物cyclophilinImmunophilinX-rayUnity/FlexX6细胞的抑制活性实验tRNAguaninetransglycoslaseX-ray800kUnity/FlexX0.25酶动力学实验PfDHFRReductaseHomology230kCatalyst/DOCK0.9酶动力学实验-AmylaseHydrolaseX-ray200kUnity/FlexXNMR,SPR,层析34谢谢