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(資料圖片僅供參考)

1

目的

采用Grow Scoffold，通過尋找適合的替代骨架進(jìn)行骨架躍遷實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)化合物優(yōu)化。

2

所需功能和模塊

Discovery Studio Client, DS CHARMM Lite, and DS CATALYST CONFORMATION

3

所需數(shù)據(jù)文件

1o86_ligand.sd, 1o86_complex.dsv

4

所需時(shí)間

30分鐘

介紹

骨架躍遷（Scaffold Hopping）是將一個(gè)配體的核心骨架替換為一個(gè)新的具有類似功能的基團(tuán)來提高化合物的性質(zhì)或者尋找具有類似功能的全新化合物。應(yīng)用這種方法，在充分考慮活性的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)出突破專利保護(hù)，結(jié)構(gòu)新穎，且可能改善藥物代謝動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的全新藥物分子。

在本教程中，我們將使用replace fragment流程來對(duì)第三代血管緊張素肽轉(zhuǎn)化酶（ACE）抑制劑賴諾普利進(jìn)行骨架躍遷。ACE催化非生物活性的十肽血管緊張素I轉(zhuǎn)化為活性的八肽血管緊張素II。血管緊張素II是一個(gè)強(qiáng)力的血管收縮劑，并能促進(jìn)緩激肽（促進(jìn)血管舒張）的降解。這種雙重功效使得ACE在腎素血管緊張素系統(tǒng)（RAS）中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并使得它成為治療高血壓，心臟衰竭，糖尿病腎病和II型糖尿病中一個(gè)非常有前景的靶點(diǎn)。

在本教程中,我們將使用Replace Fragment來尋找賴諾普利中的乙酸脯氨酸子結(jié)構(gòu)的替代結(jié)構(gòu)。主要任務(wù)如下:

直接基于小分子產(chǎn)生替代片段

使用蛋白活性位點(diǎn)優(yōu)化產(chǎn)生的潛在的替代片段

使用不同的性質(zhì)來識(shí)別全新骨架

01

直接基于小分子產(chǎn)生替代片段

在教程的第一部分，我們將使用Replace Fragment流程，只基于配體結(jié)構(gòu)，來發(fā)現(xiàn)賴諾普利的乙酰脯氨酸子結(jié)構(gòu)的替代結(jié)構(gòu)。賴諾普利在1983年就被發(fā)現(xiàn)，而能夠用于基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的ACE的晶體結(jié)構(gòu)直到2003年才被公布，因此化合物的骨架躍遷經(jīng)常是在沒有蛋白結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的。

1.執(zhí)行骨架躍遷計(jì)算

在文件瀏覽器（Files Explorer）中，找到并雙擊打開Samples | Tutorials | Receptor-Ligand Interactions | 1o86_ligand.sd文件.

顯示小分子的三維結(jié)構(gòu)。

在分子視圖窗口（按住Ctrl+G打開）選中化合物的乙酰脯氨酸的子結(jié)構(gòu)，或者在系統(tǒng)視圖（Hierarchy View，按住Crtl+H打開）中，選中化合物的C15, O17, O22-C29原子（圖1）。

圖1 賴諾普利的三維結(jié)構(gòu)，黃色加亮（選中狀態(tài)）的為乙酰脯氨酸

在工具瀏覽器（Tools Explorer）中，展開Receptor-Ligand Interactions | Lead Optimization工具欄，單擊Replace Fragment…工具，彈出流程窗口。

點(diǎn)擊Input Ligand參數(shù)，設(shè)置為1o86_ligand: 1o86_ligand。

將Fragment to Replace參數(shù)設(shè)置為Create New Group From Selection…。

其他參數(shù)都默認(rèn)，點(diǎn)擊Run按鈕，運(yùn)行作業(yè)。

點(diǎn)擊Background按鈕使作業(yè)在后臺(tái)運(yùn)行。（圖2）

圖2 參數(shù)設(shè)置

作業(yè)運(yùn)行的時(shí)間不到3分鐘，最后得到99個(gè)化合物。

2.查看計(jì)算結(jié)果

點(diǎn)擊作業(yè)瀏覽器（Job explorer）中剛完成的作業(yè)，點(diǎn)擊View Results鏈接。

圖3 查看計(jì)算結(jié)果

在表格視圖中，點(diǎn)擊左側(cè)的按鈕在圖像窗口中查看第一化合物，點(diǎn)擊表格視圖中的鍵和鍵進(jìn)行瀏覽（圖4）。

圖4 基于配體的骨架躍遷計(jì)算結(jié)果

由于我們只使用配體結(jié)構(gòu)進(jìn)行片段替換，因此產(chǎn)生的新化合物只按照不符合Lipinski五規(guī)則數(shù)目（Lipinski violations）和片段的新穎性來進(jìn)行排序。結(jié)果將給出替換片段與原始片段的相似性，這有利于對(duì)分子進(jìn)行排序，關(guān)于相似性，我們?cè)诮坛痰淖詈笠徊糠诌€將進(jìn)行討論。

如果要考慮每一個(gè)匹配的片段，那么所得到的新化合物在數(shù)量上對(duì)我們來說有可能會(huì)太多。目前ACE蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被解析出來了，我們可以充分利用這些信息，利用蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)來對(duì)所得片段進(jìn)行限制，使得產(chǎn)生的的配體能夠更好地符合結(jié)合位點(diǎn)的情況，提高化合物的可結(jié)合性和活性。此外,對(duì)于較大的化合物庫，你還可以通過計(jì)算化合物的ADMET及其他相關(guān)的性質(zhì)來對(duì)得到化合物進(jìn)一步過濾和進(jìn)行排序。

02

使用蛋白活性位點(diǎn)優(yōu)化產(chǎn)生的潛在的替代片段

在這個(gè)部分，我們將使用ACE的晶體結(jié)構(gòu)來對(duì)所產(chǎn)生的可能替代片段進(jìn)一步優(yōu)化。我們這里使用的ACE與賴諾普利復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)的pdb號(hào)為1O86，該文件從PDB網(wǎng)站下載下來，并且事先已經(jīng)使用Prepare Protein流程進(jìn)行優(yōu)化。

1.執(zhí)行骨架躍遷計(jì)算

在文件瀏覽器（Files Explorer）中，找到并雙擊打開 Samples | Tutorials | Receptor-Ligand Interactions | 1o86_complex.dsv文件。

圖5 賴諾普利與ACE復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，黃色高亮為被選中的乙酰脯氨酸

在分子窗口中選中配體的乙酰脯氨酸子結(jié)構(gòu)，或在系統(tǒng)視圖中選中配體的C1, O1, O4, O5, N2, C5-C9原子(圖5)。

在工具瀏覽器（Tools Explorer）中，展開Receptor-Ligand Interactions | Lead Optimization工具欄，點(diǎn)擊Replace Fragment 工具，打開流程對(duì)話框。

將Input Receptor設(shè)為1o86_complex: 1o86_protein.

展開Input Receptor參數(shù)組, 并將Interacting Residues設(shè)置為事先設(shè)定的interacting_residues組。

點(diǎn)擊Input Ligand參數(shù)，將其設(shè)為1o86_complex: 1o86_ligand.。

將Fragment to Replace設(shè)置為Create New Group From Selection…。

其他參數(shù)都為默認(rèn)參數(shù)，點(diǎn)擊Run按鈕運(yùn)行作業(yè)。

點(diǎn)擊Background按鈕使作業(yè)后臺(tái)運(yùn)行。

圖6 基于活性位點(diǎn)優(yōu)化的骨架躍遷的參數(shù)設(shè)置

這個(gè)作業(yè)大致上要花4分鐘，最終將產(chǎn)生43個(gè)配體。在這個(gè)例子中，活性位點(diǎn)的空間限制將用來對(duì)得到的配體進(jìn)行優(yōu)化。我們也可以規(guī)定產(chǎn)生的配體必須與受體中的殘基形成相互作用來進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。這里我們選用的殘基有GLN281, HIS353, LYS511, HIS513和 TYR520，它們是賴諾普利的乙酰脯氨酸子結(jié)構(gòu)與受體相互作用的殘基。

2.查看骨架躍遷優(yōu)化結(jié)果

在作業(yè)瀏覽器（Jobs Explorer）中，展開新完成的作業(yè)，點(diǎn)擊View Results鏈接，查看運(yùn)算結(jié)果。（圖7）

圖7 查看計(jì)算結(jié)果

在表格視圖中，點(diǎn)擊左側(cè)的按鈕在圖像窗口中查看第一化合物，點(diǎn)擊表格視圖中的鍵和鍵進(jìn)行瀏覽。

3.骨架躍遷優(yōu)化結(jié)果分析

非鍵相互作用的直觀顯示與分析

在工具瀏覽器（Tools Explorers）中，展開Receptor-Ligand Interactions | View Interactions，點(diǎn)擊Ligand Interactions。

在視圖窗口中，受體原子與所產(chǎn)配體間的非鍵相互作用會(huì)通過不同顏色的虛線顯示出來，且只有參與了同配體之間的相互作用的殘基才會(huì)顯示。（圖8）

圖8 顯示蛋白-配體之間非鍵相互作用

點(diǎn)擊上述View Interaction工具面板下的按鈕可以觀察優(yōu)化后的分子同蛋白之間的各種非鍵相互作用。

為了更好的觀察受體分子與配體的相互作用，可以對(duì)體系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以獲得最佳的觀賞角度。

在這個(gè)例子中，由于在片段替換過程中考慮了蛋白的活性位點(diǎn)，因此得到的配體所包含的將按照蛋白的相互作用數(shù)（最大），Lipinski違法數(shù)（最小化），受體碰撞數(shù)（最小）和片段的新穎性（最大化）進(jìn)行排序。所得到的配體都包含受體-配體相互作用性質(zhì)，包括蛋白殘基，相互作用類型及相互作用距離。所有的配體至少要與interacting_residues group中的一個(gè)殘基發(fā)生相互作用。

03

使用不同的性質(zhì)來識(shí)別全新骨架

在教程的最后一部分，我們通過設(shè)置參數(shù)來改變程序的運(yùn)算結(jié)果。

1.執(zhí)行骨架躍遷優(yōu)化

在工作瀏覽器（Jobs Explorer）中找到第二部分的運(yùn)算結(jié)果，展開，打開report鏈接。

在report頁面里面展開Parameters，然后點(diǎn)開Protocol.pr_xml鏈接來打開protocol（圖9）。

該protocol包含之前運(yùn)算protocol的所有參數(shù)。

圖9 打開上次作業(yè)的protocol參數(shù)文件

在protocol中展開Advanced | Fragment Search。

點(diǎn)擊Properties for Similarity參數(shù)上的按鈕，打開對(duì)話框。

移除右邊窗口（selected items）的所有參數(shù)，然后添加FCFP_4。

將Maximum Distance參數(shù)改為0.7。

其他參數(shù)都為默認(rèn)參數(shù)（圖10），在流程瀏覽器窗口中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，點(diǎn)擊run運(yùn)行作業(yè)（或者按F5快捷鍵），等待作業(yè)結(jié)束。

圖10 參數(shù)設(shè)置

這個(gè)作業(yè)運(yùn)行不到5分鐘，最后得到75個(gè)新分子。

需要注意的是，當(dāng)使用分子指紋的時(shí)候，不同片段間的相似性將用Tanimoto系數(shù)來進(jìn)行比較。兩個(gè)很相似的片段它們間的Tanimoto系數(shù)可能會(huì)比較低，如使用ECFP_4分子指紋時(shí)，苯環(huán)和嘧啶間的Tanimoto系數(shù)只有0.333。因此，當(dāng)只用分子指紋進(jìn)行限定時(shí)，為了得到較合理數(shù)目的結(jié)果，你需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)高M(jìn)aximum Distance參數(shù)。

2.運(yùn)算結(jié)果查看

在作業(yè)瀏覽器（Jobs Explorer）中，展開新完成的作業(yè)，點(diǎn)擊View Results鏈接，查看運(yùn)算結(jié)果。

在工具瀏覽器（Tools Explorers）中，展開Receptor-Ligand Interactions | View Interactions，點(diǎn)擊Ligand Interactions。

在視圖窗口中，受體原子與所產(chǎn)配體間的非鍵相互作用會(huì)通過不同顏色的虛線顯示出來，且只有參與了同配體之間的相互作用的殘基才會(huì)顯示。（圖11）

圖11 以分子指紋作為骨架新穎性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的運(yùn)算結(jié)果

點(diǎn)擊上述View Interaction工具面板下的按鈕可以觀察優(yōu)化后的分子同蛋白之間的各種非鍵相互作用。

為了更好的觀察受體分子與配體的相互作用，可以對(duì)體系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以獲得最佳的觀賞角度。