虛擬分子對接分解課件

1、虛擬 篩選定義虛擬篩選（virtual screening, VS) 也稱計(jì)算機(jī)篩選，即在進(jìn)行生物活性篩選之前，在計(jì)算機(jī)上對化合物分子進(jìn)行預(yù)篩選，以降低實(shí)際篩選化合物數(shù)目，同時提高先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)效率。虛擬篩選的意義篩選的對象優(yōu)勢不消耗樣品，降低篩選成本考慮化合物分子的藥動學(xué)性質(zhì)和毒性，增加篩選的內(nèi)涵虛擬篩選的效率例：蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B（PTP1B）抑制劑的發(fā)現(xiàn)經(jīng)虛擬篩選，再作生物學(xué)測試，虛擬篩選的命中率比隨機(jī)的高通量篩選提高1,700倍虛擬篩選技術(shù)的分類一、基于靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的虛擬篩選 分子對接起源：受體-配體的鎖和鑰匙模型 配體 受體 復(fù)合物 對接 受體和配基之間通過能量匹配和空間匹配而相互識

2、別形成分子復(fù)合物，并預(yù)測復(fù)合物結(jié)構(gòu)的操作過程基于分子對接的篩選方法基于一個靶點(diǎn)（酶、受體、離子通道、核酸等）的三維結(jié)構(gòu)，常常采用分子對接的虛擬篩選方法從小分子數(shù)據(jù)庫中找到能與之匹配的候選化合物。所謂分子對接是基于兩個或多個分子之間通過幾何匹配和能量匹配相互識別的過程，即在藥物分子和靶酶產(chǎn)生藥效的反應(yīng)過程中，兩個分子先充分接近，然后采取合適的取向，使兩者在必要的部位相互契合、發(fā)生作用，進(jìn)而通過構(gòu)象調(diào)整形成穩(wěn)定的復(fù)合物?；诜肿訉拥暮Y選方法在通常的分子對接中，小分子的構(gòu)象是柔性的，如果篩選一個分子數(shù)目過多的數(shù)據(jù)庫（如ACD-SC），那么整個虛擬篩選過程將非常耗時。因此，通?？上仍O(shè)定一些條件，比如

3、Lipinski 的“5 倍律經(jīng)驗(yàn)規(guī)則”等一系列類藥性條件，先對該庫進(jìn)行過濾，從而快速縮小三維數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。另外，如果針對某個靶點(diǎn)，已經(jīng)獲得相關(guān)抑制劑的結(jié)構(gòu)，則可采用分子形狀匹配的方法（如FlexS），對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行初篩，保留其中與已知抑制劑形狀相似的分子。經(jīng)過這些初步篩選之后，再采用基于分子對接的虛擬篩選從數(shù)據(jù)庫中找出可能與靶點(diǎn)相互匹配的有機(jī)小分子。類藥五原則類藥五原則（rule of five）也稱為Lipinski規(guī)則，其內(nèi)容如下：一個小分子藥物中要具備以下性質(zhì)：1.分子量小于500；2.氫鍵給體數(shù)目小于5；3.氫鍵受體數(shù)目小于10；4.脂水分配系數(shù)小于5；5.可旋轉(zhuǎn)鍵的數(shù)量不超過10個。

4、輝瑞公司資深藥物化學(xué)家Christopher A. Lipinski在1997年提出更好的藥代動力學(xué)性質(zhì)，更高的生物利用度分子對接篩選常用的軟件DOCK 是應(yīng)用比較廣泛的對接軟件之一，由Kuntz 等設(shè)計(jì)開發(fā)。它能自動模擬配體在受體活性位點(diǎn)的作用情況，并記錄下最佳的相互作用方式。而且該軟件能對配體的三維數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，因此被廣泛用于基于受體結(jié)構(gòu)的對接篩選。在DOCK 中，活性位點(diǎn)的確定是通過軟件包中的sphgen 程序來完成，它通過在受體表面所有的凹陷區(qū)形成負(fù)像，并對這些負(fù)像進(jìn)行聚類分析，用戶則從中挑選出所需要的一類作為活性區(qū)域的位置。在生成負(fù)像的基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行配體分子和受體活性口袋之間的

5、匹配，配體分子也采用一組球集來表示，并且DOCK 進(jìn)行對接時，配體可以是剛性的，也可以設(shè)定為柔性。分子對接篩選常用的軟件在對接結(jié)束后，DOCK 程序則采用自帶的打分函數(shù)對配體-受體之間的匹配情況進(jìn)行評價，其中包括原子接觸得分和能量得分。所謂接觸原子是指在一定距離之內(nèi)的原子（一般定義為4.5 ），如果配體和受體之間存在這個距離內(nèi)的原子，則認(rèn)為產(chǎn)生碰撞，作為罰分從總得分中扣除；能量得分主要來自配體和受體間非鍵相互作用能。AUTODOCK 也是常用的分子對接軟件包之一，由Scripps 的Olson 科研小組開發(fā)。它采用模擬退火和遺傳算法尋找受體和配體最佳的結(jié)合位置，用半經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合自由能方法來評價兩

6、者之間的匹配情況。為了加快計(jì)算速度，AUTODOCK 采用了格點(diǎn)對接的方法，格點(diǎn)上保存的是探針原子和受體之間的相互作用能，包括了范德華相互作用能、靜電作用能和氫鍵相互作用能等。在AUTODOCK3.0 以前，只能實(shí)現(xiàn)單個配體和受體分子之間的對接，但目前的版本（AUTODOCK4.0）已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫對接篩選的功能。除此之外，還有一些常用的對接篩選程序，比如FlexX、GOLD、Affinity 等，它們都各自開發(fā)出一套相應(yīng)的對接篩選策略、打分函數(shù)，使得對接篩選的應(yīng)用越來越廣泛?；诮Y(jié)構(gòu)虛擬篩選一般流程圖建立大量化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫將庫中的分子逐一與靶標(biāo)分子進(jìn)行“對接”（docking）優(yōu)化

7、小分子化合物的取向及構(gòu)象等找到小分子化合物與靶標(biāo)大分子作用的最佳構(gòu)象計(jì)算其相互作用及結(jié)合能完成所有分子的對接計(jì)算找出與靶標(biāo)分子結(jié)合的最佳分子對接方法尚需解決的問題分子的柔性溶劑化效應(yīng)打分函數(shù)(一) 靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的預(yù)處理靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)的預(yù)處理1、靶點(diǎn)的檢驗(yàn)2、靶點(diǎn)的處理3、確定靶點(diǎn)的配體結(jié)合口袋1、靶點(diǎn)的檢驗(yàn)晶體結(jié)構(gòu)（X射線測定）溶液結(jié)構(gòu)（NMR測定）分辨率R 因子溫度因子幾何構(gòu)型的準(zhǔn)確率小于2.5Rfree28%R25%重點(diǎn)關(guān)注部位不大于整個分子的平均溫度因子角至少有90%落在允許區(qū)域內(nèi)PDB多個構(gòu)象Profile-3D：三維結(jié)構(gòu)和氨基酸序列相容性ProsaII：殘基之間相互作用能量評估拉氏圖：檢測三維

8、結(jié)構(gòu)立體構(gòu)型好壞小分子數(shù)據(jù)庫的來源商用化合物數(shù)據(jù)庫公司或研究機(jī)構(gòu)自有數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的虛擬化合物庫 常用的數(shù)據(jù)庫有MDL數(shù)據(jù)庫、SPECS數(shù)據(jù)庫和CNPD（Chinese Natural Product Database）數(shù)據(jù)庫(二) 小分子數(shù)據(jù)庫的預(yù)處理小分子數(shù)據(jù)庫的預(yù)處理1、3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化2、電荷分配3、原子及鍵的檢查4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化(三) 分子對接概念： 將配體分子放置到受體大分子的活性位點(diǎn)中，預(yù)測小分子與受體結(jié)合構(gòu)象及作用能的過程。是基于受體分子結(jié)構(gòu)虛擬篩選的核心。目的：從小分子數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)合適的化合物作為受體大分子的配體。從整體上考慮配體與受體結(jié)合的效果。構(gòu)象優(yōu)化的算法系統(tǒng)搜索隨機(jī)搜索確定性搜索

9、片段生長法構(gòu)象搜索法構(gòu)象庫方法蒙特卡羅法模擬退火遺傳算法禁忌搜索法分子動力學(xué)模擬關(guān)鍵環(huán)節(jié)：配體結(jié)合構(gòu)象的優(yōu)化目的： 評判配體分子和受體結(jié)合能力的強(qiáng)弱。含義： 先對同一個分子的不同結(jié)合構(gòu)象，評價各構(gòu)象的結(jié)合好壞。 再對數(shù)據(jù)庫中的不同分子的最好結(jié)合構(gòu)象進(jìn)行評價，以得到最終的結(jié)合能力從高到低的化合物分子清單。(四) 打分函數(shù)打分函數(shù) 1、基于立場的打分函數(shù) 2、半經(jīng)驗(yàn)的自由能打分函數(shù) 3、 基于知識的打分函數(shù) 4、“一致性”打分(五) 成功實(shí)例人碳酸酐酶與其抑制劑復(fù)合物2002 年Grunberg 等采用基于分子對接的虛擬篩選方法成功地找到了多種人碳酸酐酶（humancarbonic anhydra

10、se）的抑制劑。在整個設(shè)計(jì)過程中，他們采用了多次初篩的辦法將Maybridge 數(shù)據(jù)庫（61 186 個分子）和LeadQuest 數(shù)據(jù)庫（37 841 個分子）進(jìn)行過濾。首先利用Lipinski 的“5 規(guī)則”將數(shù)據(jù)庫縮小為5 904 個；然后利用FlexS 與已知抑制劑進(jìn)行相似性篩選，得到了100 個候選化合物；最后將這100 個分子利用FlexX 程序進(jìn)行對接篩選，從中挑選出13 個進(jìn)行生物活性測試，結(jié)果7 個分子的IC50 值達(dá)到了微摩爾級別。見圖?？拱滩∷幬锏陌l(fā)現(xiàn)虛擬篩選艾滋病病毒, 人類免疫缺陷病毒human immunodeficiency virus, HIV1.HIV-1蛋

11、白酶（HIV-PR）, 所催化的水解反應(yīng)在艾滋病病毒導(dǎo)入人體細(xì)胞過程中起著重要的作用2.高效的HIV-PR抑制劑為治療艾滋病的有效藥物3.肽類HIV-PR抑制劑生物性質(zhì)不穩(wěn)定，吸收性差，易被代謝分解，因此口服給藥無效1. X-射線晶體結(jié)構(gòu)2. 搜尋數(shù)據(jù)庫3. 生物測試: 高選擇性, 高活性( Ki = 0.1 nM)抗SARS冠狀病毒藥物的設(shè)計(jì)基于SARS-CoV 3CL蛋白酶的虛擬篩選嚴(yán)重急性呼吸道綜合征病原體SARS冠狀病毒SARS-Cov 感染宿主細(xì)胞起重要作用的結(jié)構(gòu)蛋白 E蛋白（small envelope protein，小信封蛋白） S蛋白（spike glycoprotein，刺

12、突糖蛋白） M蛋白（membrane protein，膜蛋白） N蛋白（nucleocapsid protein，核衣殼蛋白） 多聚酶（polymerase） 類3C蛋白酶（3C like proteinase, 3CL）3CL蛋白酶作為抗SARS藥物篩選靶點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) 在冠狀病毒復(fù)制過程中起著重要作用 有許多已知抑制劑，便于迅速開發(fā) 較易表達(dá)，有利于加緊研究 有較高的同源性，可用同源法模建三維結(jié)構(gòu)模型步驟1. 同源模建(1) 3CL蛋白酶序列(GenBank)與各類冠狀病毒蛋白酶序列（PDB）作序列分析和同源性分析（BLAST程序） 人冠狀病毒；鼠科肝炎病毒；豬傳染性腹瀉病毒；貓傳染性腹膜炎病毒

13、；禽傳染性支氣管炎病毒；豬冠狀病毒；傳染性胃腸炎病毒(2) 傳染性胃腸炎病毒（TGEV）的蛋白酶Mpro與3CL蛋白酶有極高的同源性，特別在底物結(jié)合口袋（活性部位）(3) 以TGEV Mpro的X-射線晶體結(jié)構(gòu)為模板，模建3CL蛋白酶三維結(jié)構(gòu)（Sybyl 6.8 / SiteID程序）結(jié)果（1）所建模型與TGEV Mpro 晶體結(jié)構(gòu)基本重疊（2）3CL蛋白酶的折疊方式與TGEV Mpro相同，結(jié)合口袋的結(jié)構(gòu)以及空間特征幾乎一樣3CL蛋白酶結(jié)構(gòu)與Mpro蛋白酶晶體結(jié)構(gòu)的重疊圖3CL蛋白酶的緞帶模型步驟2. 分析酶-配體作用模型兩種蛋白酶的結(jié)合部位(Sybyl 6.8 / MOLCAD程序) 中,

14、小分子C能以同樣的方式與兩種酶的結(jié)合口袋契合A. TGEV MPRo蛋白酶B. SARS 3CL蛋白酶C. 蛋白酶抑制劑兩種蛋白酶的底物結(jié)合口袋的表面特征 3CL蛋白酶模建模型或TGEV Mpro的晶體結(jié)構(gòu)均可作為篩選抗SARS藥物的結(jié)構(gòu)模型步驟3. 虛擬篩選以SARS冠狀病毒3CL蛋白酶三維結(jié)構(gòu)模型和TGEV Mpro 為篩選模型作虛擬篩選（SGI Origin 3800超級計(jì)算機(jī)和392CPU的神威1號超級計(jì)算機(jī)）ACD數(shù)據(jù)庫、MDDR數(shù)據(jù)庫、SPECS數(shù)據(jù)庫、中國天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫（CNPD）和國家藥物篩選中心內(nèi)部樣品庫共數(shù)十萬個化合物（1） DOCK 4.0作初篩， 選出得分高的前1000

15、個化合物；（2）用Cscore軟件和AutoDock 3.0軟件作評價，從每個數(shù)據(jù)庫中挑選出100個得分最高的化合物結(jié)果：共找到300個可能具有抗SARS冠狀病毒潛力的候選化合物步驟4 藥理測試（1）用病毒3CL蛋白酶分子水平篩選模型篩選候選化合物發(fā)現(xiàn)了7個具有高活性的化合物（2）在P3實(shí)驗(yàn)室中作SARS病毒感染細(xì)胞水平的測試，發(fā)現(xiàn)5-HT受體拮抗劑（ 肉桂硫胺，Cinanserin）有明顯的抗SARS病毒感染和保護(hù)細(xì)胞的作用（3）申請專利，以CADD作結(jié)構(gòu)優(yōu)化例 美普他酚雙配體衍生物與AChE的對接研究阿爾茨海默癥（Alzheimers Disease，AD）與乙酰膽堿（ACh）水平降低和對乙酰膽堿酯酶AChE誘導(dǎo)的-淀粉樣蛋白（A）聚集有關(guān)治療AD 的藥靶： 乙酰膽堿酯酶（AChE）和-淀粉樣蛋白AChE抑制劑：美普他酚（Meptazinol）研究發(fā)現(xiàn)A的聚集與AChE上的外周陰離子位點(diǎn)（PAS）有關(guān) Xie Q et al. J. Med. Chem. 2008,51(7):2027美普他酚雙配體類似物的設(shè)計(jì)在美普他酚分子中通過引入不同長度連接鏈，希望使另一個配體能與PAS相互作用合成n=2-12的多個美普他酚雙配體類似物，發(fā)現(xiàn)n=9的AChE抑制活性最強(qiáng)（IC503.9nM）, 比美普他酚高2萬倍，同時對AChE誘導(dǎo)的A聚集具有明顯的抑制作