第07講-基于受體的藥物設(shè)計(jì)

藥物設(shè)計(jì)學(xué)王遠(yuǎn)強(qiáng)12思考題簡(jiǎn)述分子對(duì)接方法的原理及主要應(yīng)用；全新藥物設(shè)計(jì)的基本步驟包括哪些？3第四節(jié)基于受體的藥物設(shè)計(jì)方法之一

--分子對(duì)接(MolecularDocking)4基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)——直接法給定一個(gè)藥物受體或受體的結(jié)合位點(diǎn)找出能夠與位點(diǎn)結(jié)合改變受體作用的化合物全新藥物設(shè)計(jì)的基本流程56受體三維結(jié)構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)三維結(jié)構(gòu)搜索合成全新藥物設(shè)計(jì)活性測(cè)試結(jié)構(gòu)優(yōu)化小分子數(shù)據(jù)庫(kù)先導(dǎo)化合物候選藥物基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)思路流程圖對(duì)接所謂分子對(duì)接主要研究分子間（即配體和受體）相互作用，預(yù)測(cè)并計(jì)算結(jié)合模式和親和力的一種理論模擬方法。分子對(duì)接就是受體和底物之間通過(guò)能量匹配和幾何匹配而互相識(shí)別的過(guò)程。分子對(duì)接是一種廣泛應(yīng)用的研究分子間相互作用的分子模擬方法，其本質(zhì)是找到已知結(jié)構(gòu)的分子之間合理的結(jié)合構(gòu)象，其過(guò)程涉及分子之間的空間匹配和能量匹配。分子對(duì)接方法已經(jīng)有幾十年歷史，利用分子對(duì)接方法研究蛋白-配體作用模式在基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用于全新藥物設(shè)計(jì)、虛擬篩選、虛擬組合庫(kù)設(shè)計(jì)等。分子對(duì)接方法的基本原理分子對(duì)接中兩大關(guān)鍵問(wèn)題是分子間的空間匹配和能量匹配。(1)空間匹配是分子間發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)，進(jìn)行分子對(duì)接計(jì)算時(shí)，首先在受體的表面凹槽產(chǎn)生一系列假定的結(jié)合位點(diǎn)，將配體分子放入該位點(diǎn)中，如果兩者之間滿足分子的空間匹配原則，則可以結(jié)合；如果不能滿足則選擇其他位點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。(2)能量匹配是分子間保持穩(wěn)定結(jié)合的基礎(chǔ)。當(dāng)配體分子進(jìn)入結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，通過(guò)一定的程序計(jì)算它們之間的可能的結(jié)合模式和結(jié)合能，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)打分函數(shù)評(píng)判配體－受體的結(jié)合程度。9

分子對(duì)接的最初思想起源于19世紀(jì)Fisher提出的受體學(xué)說(shuō)，F(xiàn)isher認(rèn)為，藥物與體內(nèi)的蛋白質(zhì)大分子即受體會(huì)發(fā)生類似鑰匙與鎖的識(shí)別關(guān)系，稱為“鎖鑰模型”，這種識(shí)別關(guān)系主要依賴兩者的空間匹配。即受體與配體的相互識(shí)別首要條件是空間結(jié)構(gòu)的匹配。

配體受體復(fù)合物受體－配體的鎖和鑰匙模型

10隨著受體學(xué)說(shuō)的發(fā)展，人們對(duì)生理活性分子與生物分子的相互作用有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，從基于空間匹配的剛性模型逐漸發(fā)展成為基于空間匹配和能量匹配的柔性模型。11藥物與受體的結(jié)合強(qiáng)度取決于結(jié)合的自由能變化

G結(jié)合

=

H結(jié)合

-T

S結(jié)合

=-RTlnKi大部分的分子對(duì)接法忽略了全部的熵效應(yīng)，而在焓效應(yīng)也只考慮配體與受體的相互作用能，即：Einteraction=Evdw+Eelectrostatic+Eh-bond12分子對(duì)接方法的分類分子對(duì)接方法根據(jù)不同的簡(jiǎn)化程度大致可以分為三類：（1）剛性對(duì)接在對(duì)接過(guò)程中研究體系的構(gòu)象不發(fā)生變化；（2）半柔性對(duì)接在對(duì)接過(guò)程中考慮配體的柔性；（3）柔性對(duì)接既考慮配體結(jié)構(gòu)的柔性又考慮受體的柔性。13（一）剛性的分子對(duì)接方法

這種方法是最初的分子對(duì)接的方法，在對(duì)接中，小分子和蛋白質(zhì)兩種都保持剛性?；谧畲髨F(tuán)搜索的方法（Clique-SearchBasedApproaches）

對(duì)接兩個(gè)剛性分子可以理解為分子在空間的匹配問(wèn)題，這種匹配可以是一種形狀上的互補(bǔ)或相互作用，如氫鍵受體與氫鍵給體的互補(bǔ)。搜索在三維空間中有效的條件下的最大匹配。14受體的活性位點(diǎn)

配體有效匹配的距離圖集

受體－配體的示意圖，字母代表特征部分如氫鍵等，相應(yīng)的有效匹配的圖集如右，三個(gè)環(huán)形頂點(diǎn)組織的三角形為這個(gè)圖集的一個(gè)最大團(tuán)(clique)

15Dock對(duì)接程序中剛性對(duì)接的算法就是基于這種思想Dock利用球集來(lái)表示受體活性位點(diǎn)和配體的形狀16

一系列的球集填充在受體活性位點(diǎn)的表面，這些球集代表能被配體占據(jù)的體積。配體可以用球集表示或者用自己的原子表示，在Dock程序中，四個(gè)有效匹配的對(duì)應(yīng)點(diǎn)被考慮，先考慮配體中第一個(gè)球集與活性位點(diǎn)的球集的匹配，第二個(gè)點(diǎn)則滿足?d≤ε，其中?d為第二個(gè)匹配點(diǎn)中配體和受體的球心與第一個(gè)點(diǎn)球心的距離，第三個(gè)點(diǎn)又必需滿足與前兩個(gè)球心的距離限制，以上過(guò)程一直進(jìn)行到找不到更多匹配點(diǎn)為止。17（2）基于poseclustering的方法

這種方法是一種基于模式識(shí)別的方法。

在LUDI模型中，如圖所示，對(duì)每一個(gè)作用基團(tuán)，定義作用中心和作用表面。受體的作用表面近似地用離散的點(diǎn)表示，和對(duì)應(yīng)的配體的中心目標(biāo)點(diǎn)相匹配。三個(gè)氫鍵受體的作用表面

Poseclustering算法中的作用點(diǎn)

18（二）柔性對(duì)接中的構(gòu)象產(chǎn)生方法（1）構(gòu)象的系綜方法

Flexibase用來(lái)儲(chǔ)存小分子庫(kù)中每個(gè)分子的一系列不同構(gòu)象，用距離幾何和能量最小化的方法產(chǎn)生構(gòu)象，每個(gè)分子根據(jù)rmsd的差異選擇25個(gè)系列構(gòu)象。19（2）片段的方法片段的方法是處理小分子柔性的最通用的方法，配體分割成一些小的片斷，這些片斷可以認(rèn)為是剛性構(gòu)象或一個(gè)小的構(gòu)象系綜。一般，有兩種方法來(lái)處理:第一種方法是把一個(gè)片段放入受體的作用位點(diǎn)，然后加上余下的片段，這種方法稱為連續(xù)構(gòu)建“incrementalconstruction”.第二種方法把所有或一部分片段獨(dú)立地放入受體的作用位點(diǎn)，再重新連接至構(gòu)成一個(gè)完整的配體分子，這種策略稱為“放置&加”

“place&join”

。FlexXDock程序

第一個(gè)連續(xù)構(gòu)建的算法是Kuntz發(fā)展的Dock程序。首先，一個(gè)單獨(dú)的錨碎片通過(guò)手工選擇對(duì)接進(jìn)受體的活性結(jié)合位點(diǎn)，并且考慮了氫鍵的作用。這個(gè)錨的優(yōu)勢(shì)位置主要包含有大量匹配氫鍵對(duì)、高打分值和低相似性。接著，在當(dāng)前錨位置加上一個(gè)碎片后，優(yōu)化的方法用來(lái)減少立體的張力和改善氫鍵的幾何構(gòu)型。用回溯算法（backtrackingalgorithm）來(lái)搜索整個(gè)配體在結(jié)合位點(diǎn)的非重疊放置空間。最后的位置通過(guò)過(guò)濾，優(yōu)化和基于力場(chǎng)的方法來(lái)打分評(píng)價(jià)。

FlexX也是一個(gè)基于連續(xù)構(gòu)建算法的對(duì)接程序。21（3）遺傳算法遺傳算法開(kāi)始應(yīng)用到分子對(duì)接技術(shù)中：第一步，找出一個(gè)稱為染色體的線性表示符，描述構(gòu)型的所有自由度，找到這個(gè)染色體描述符是算法中最困難的一步。第二步，確定一個(gè)一個(gè)類似如打分函數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。著名的GOLD，Autodock軟件包括了這種算法。22（4）基于分子模擬的方法模擬退火的方法，Autodock程序包含了這種方法分子動(dòng)力學(xué)的方法

MonteCarlo模擬分子動(dòng)力學(xué)模擬

23評(píng)價(jià)：打分函數(shù)

每一個(gè)對(duì)接的算法都會(huì)采用平衡了時(shí)效和精確度的簡(jiǎn)單自由能預(yù)測(cè)方法，現(xiàn)在的打分函數(shù)主要包括三種：基于分子力場(chǎng)的方法、基于經(jīng)驗(yàn)的回歸參數(shù)的方法、基于知識(shí)的打分函數(shù)。24（1）基于力場(chǎng)的方法

只考慮熱焓對(duì)能量的貢獻(xiàn)，不考慮熵的影響，一般情況下，采用標(biāo)準(zhǔn)力場(chǎng)的非鍵作用能如真空靜電和范德華作用能作為打分函數(shù)，如DOCK程序中采用AMBER的能量函數(shù)：25（2）基于經(jīng)驗(yàn)的打分函數(shù)

基于經(jīng)驗(yàn)的打分函數(shù)用多元回歸的方法擬合各種物理參數(shù)對(duì)結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)，如FlexX程序中采用這種函數(shù)。所采用的方程包括，配體旋轉(zhuǎn)鍵的個(gè)數(shù)、氫鍵、離子鍵、疏水和芳香環(huán)的

堆積作用以及親水作用。這種方法能快速直接地估算結(jié)合自由能。

26（3）基于知識(shí)的打分函數(shù)

采用統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)考察原子與原子之間相互接觸的頻率或距離來(lái)推測(cè)基團(tuán)相互作用的有利或者不利。最初應(yīng)用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，在對(duì)接中，打分函數(shù)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法得到蛋白質(zhì)－配體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，用分子間距離的平均能的加和為函數(shù)來(lái)計(jì)算結(jié)合自由能。

基于知識(shí)的打分函數(shù)是一種比較有前途的方法。27對(duì)接軟件

文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)的或者沒(méi)報(bào)道過(guò)的分子對(duì)接軟件有很多，很多最初都是由實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，免費(fèi)發(fā)布。當(dāng)軟件很完善，沒(méi)有什么缺陷時(shí)，可能會(huì)被專門的商業(yè)軟件公司購(gòu)買，就變成了某個(gè)大型軟件包中的模塊。

其實(shí)不止分子對(duì)接軟件，其他還有藥效團(tuán)軟件、定量構(gòu)效關(guān)系軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)篩選軟件等，都是這樣的發(fā)展歷程。不過(guò)，其中還是有一些實(shí)驗(yàn)室，在商品化大潮的影響下屹立不倒，依舊免費(fèi)給我們提供免費(fèi)的強(qiáng)大的軟件，甚至是源代碼（sourcecode）。281、AutoDock

據(jù)官方數(shù)據(jù)顯示，autodock是引用文獻(xiàn)最多的軟件（Sousa,Fernandes&Ramos(2006)Protein-LigandDocking:CurrentStatusandFutureChallengesProteins,65:15-26）。

AutoDock向外提供源代碼，只要下載協(xié)議單（licenseagreement），簽名后傳真發(fā)回，就可以獲得下載鏈接和帳號(hào)信息。目前最新版本是4.2，速度很。單個(gè)CPU一天可以做40,000個(gè)剛性對(duì)接。可以考慮蛋白質(zhì)側(cè)鏈的柔性。

官方主頁(yè)：/2、DOCK。DOCK也是以源代碼發(fā)布，對(duì)學(xué)術(shù)用戶免費(fèi)。可以向官方發(fā)郵件申請(qǐng)，他們會(huì)返回一個(gè)下載鏈接和帳號(hào)，可以使用5次。

官方主頁(yè)：/

3、3D-DOCK。

免費(fèi)以源代碼發(fā)布，分為三個(gè)部分：FTDock,RPScore，MultiDock。

官方主頁(yè)：http://www.bmm.icnet.uk/docking/

294、FRED

是Openeye軟件包中的一個(gè)模塊。Openeye軟件包對(duì)學(xué)術(shù)用戶免費(fèi)1年，普通用戶可以申請(qǐng)2個(gè)月的試用期。只要在線申請(qǐng)就可以，不需要下載申請(qǐng)表打印簽字發(fā)傳真。不過(guò)FRED速度超快，在各種平臺(tái)都可運(yùn)行。Openeye軟件包中除了分子對(duì)接軟件，還有數(shù)據(jù)庫(kù)篩選軟件，分子格式轉(zhuǎn)化軟件（Babel），圖形可視化軟件（Vida），溶劑化工具等。

申請(qǐng)?jiān)囉冒妫?forms/eval_request.php

官方主頁(yè)：

/

5、Surflex，Surflex對(duì)學(xué)術(shù)用戶免費(fèi)，最初國(guó)內(nèi)的同行都說(shuō)這個(gè)軟件最難申請(qǐng)，沒(méi)有申請(qǐng)成功的。

306、FlexX是另一個(gè)運(yùn)算速度超快的分子對(duì)接軟件，收費(fèi)。不過(guò)可以申請(qǐng)6周的試用版，速度很快。有獨(dú)立運(yùn)行版本，也有Sybyl軟件包(TriposCo.Ltd.)中的一個(gè)模塊。

官方主頁(yè)：www.biosolveit.de/FlexX/

7、Glide。收費(fèi)軟件，是Maestro軟件包中的一個(gè)模塊。運(yùn)算速度也很快。8、GOLD。收費(fèi)軟件，精度很好。以前可以申請(qǐng)2個(gè)月的試用版。9、ICM。ICM-pro是很大型的軟件包，收費(fèi)，功能很強(qiáng)大，據(jù)說(shuō)精度也很高。不過(guò)ICM-Browser是免費(fèi)的，可以下載。下載鏈接/icm_browser.html

官方主頁(yè)：/index.html

3110、MVD。是最新出的軟件，據(jù)官方數(shù)據(jù)表明是對(duì)接精度最好的軟件，甚至要超過(guò)了Glide、Surflex、FlexX等軟件。提供一個(gè)月的試用期。不過(guò)運(yùn)行速度很慢，按默認(rèn)設(shè)置，對(duì)接一個(gè)分子需要10分鐘。

從這里申請(qǐng)下載（在線申請(qǐng)，不需要下載表格打印簽名發(fā)傳真）：

/mvd-trial.php

官方主頁(yè)

/3233名稱 構(gòu)象搜索方法 結(jié)合評(píng)價(jià)方法速度FlexX(Sybyl) 片段生長(zhǎng)法 半經(jīng)驗(yàn)自由能 快 LigandFit(Cerius2) 蒙地卡羅模擬半經(jīng)驗(yàn)自由能 快 Glide(薛定諤軟件) 系統(tǒng)搜索 半經(jīng)驗(yàn)自由能 一般 Gold 遺傳算法 半經(jīng)驗(yàn)自由能 快 Affinity（InsightII)蒙地卡羅/MM/MD分子力場(chǎng) 慢 AutoDock 遺傳算法 半經(jīng)驗(yàn)自由能 一般

Dock 片段生長(zhǎng)法 分子力場(chǎng) 快 ICM-Dock 隨機(jī)全局優(yōu)化半經(jīng)驗(yàn)自由能 快Fred(openeye) 系統(tǒng)搜索 半經(jīng)驗(yàn)自由能 快 34對(duì)接方法的應(yīng)用估算配體和受體之間的結(jié)合能力虛擬篩選先導(dǎo)化合物的優(yōu)化組合庫(kù)設(shè)計(jì)全新藥物設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)蛋白配體復(fù)合物理解配體和受體的結(jié)合模式35分子對(duì)接計(jì)算的注意點(diǎn)小分子問(wèn)題

起始構(gòu)象對(duì)對(duì)接結(jié)果有一定影響對(duì)接時(shí)應(yīng)以代謝物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)分子進(jìn)行加電荷和加氫處理蛋白質(zhì)問(wèn)題

如何選擇合理的蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)對(duì)接問(wèn)題搜索結(jié)合模式的正確性、對(duì)接的效率、評(píng)分的正確性采用多個(gè)軟件進(jìn)行評(píng)價(jià)，減少結(jié)合模式搜索誤差定量指標(biāo)，需要結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)一步評(píng)價(jià)分子對(duì)接用于虛擬篩選的具體流程第一步，受體模型的建立：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備是虛擬篩選的重要一步。虛擬篩選的蛋白靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)可以從PDB庫(kù)中直接下載使用：/pdb/index.html也可以通過(guò)和家族中同源蛋白的序列、結(jié)構(gòu)信息比較，同源模建而得。1）大分子結(jié)構(gòu)獲取虛擬篩選的實(shí)現(xiàn)步驟2）接著是結(jié)合位點(diǎn)的描述，選擇合適的配體結(jié)合口袋對(duì)分子對(duì)接至關(guān)重要一種是直接從配體－受體復(fù)合物結(jié)構(gòu)中抽出；選擇口袋有兩種方式：如果沒(méi)有復(fù)合物結(jié)構(gòu)，則需要根據(jù)生物功能如結(jié)合、突變等實(shí)驗(yàn)信息來(lái)手動(dòng)選擇結(jié)合部位。第二步，建立小分子數(shù)據(jù)庫(kù)二維結(jié)構(gòu)用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換程序如CORINA、CONCORD實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。建好的三維結(jié)構(gòu)加氫加電荷后，便可以用于對(duì)接程序。第三步，對(duì)接和打分，這一步是虛擬篩選的核心步驟。對(duì)接操作就是把每個(gè)小分子放到受體蛋白的配體結(jié)合位點(diǎn)，優(yōu)化配體構(gòu)像和位置，使之與受體有最佳的結(jié)合作用，給最佳結(jié)合構(gòu)象打分，對(duì)所有化合物根據(jù)打分排序，然后從化合物庫(kù)中挑出打分最高的小分子。第四步命中化合物的后處理通過(guò)計(jì)算分子的類藥性質(zhì)ADME/T(吸收absorption、器官分布distribution、體內(nèi)代謝metabolism、排泄excretion和毒性toxicity)性質(zhì)的估算，排除那些不具有類藥性質(zhì)的分子。可以利用一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則如“五規(guī)則”等，快速排除那些不適合進(jìn)一步藥物開(kāi)發(fā)的分子。通過(guò)以上四步處理，大部分分子從化合物庫(kù)中剔除，形成一個(gè)合理大小的化合物庫(kù)，僅對(duì)這些適合成藥的化合物或購(gòu)買、或合成、或分離得到，然后再進(jìn)行實(shí)際的生物測(cè)試。43（一）配體對(duì)CDK2，CDK4激酶選擇性的研究細(xì)胞周期蛋白依賴性蛋白激酶（cyclin-dependentkinases,CDKs）是一類Ser/Thr蛋白激酶，直接參與調(diào)控細(xì)胞分裂周期，顧名思義，CDK只在周期蛋白Cyclin活化下才能工作.現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了13種CDK蛋白激酶和25種周期蛋白Cyclin，但它們具體的生物功能還不十分明了。其中CDK2、CDK5、CDK6已經(jīng)解析出晶體結(jié)構(gòu)，但CDKs的一級(jí)序列存在高的同源性，它們之間一級(jí)序列的高同源性暗示了三維結(jié)構(gòu)的相似性。CDK1、CDK2、CDK4、CDK6是基于CDKs結(jié)構(gòu)化學(xué)治療癌癥的主要靶標(biāo)。至今為止，文獻(xiàn)報(bào)告的CDKs抑制劑有多種。44NU6102(6-cyclohexylmethyl-2-(4’-sulfam