第07講-基于受體的藥物設(shè)計

藥物設(shè)計學(xué)王遠強12思考題簡述分子對接方法的原理及主要應(yīng)用；全新藥物設(shè)計的基本步驟包括哪些？3第四節(jié)基于受體的藥物設(shè)計方法之一

--分子對接(MolecularDocking)4基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計——直接法給定一個藥物受體或受體的結(jié)合位點找出能夠與位點結(jié)合改變受體作用的化合物全新藥物設(shè)計的基本流程56受體三維結(jié)構(gòu)結(jié)合位點三維結(jié)構(gòu)搜索合成全新藥物設(shè)計活性測試結(jié)構(gòu)優(yōu)化小分子數(shù)據(jù)庫先導(dǎo)化合物候選藥物基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計思路流程圖對接所謂分子對接主要研究分子間（即配體和受體）相互作用，預(yù)測并計算結(jié)合模式和親和力的一種理論模擬方法。分子對接就是受體和底物之間通過能量匹配和幾何匹配而互相識別的過程。分子對接是一種廣泛應(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，其過程涉及分子之間的空間匹配和能量匹配。分子對接方法已經(jīng)有幾十年歷史，利用分子對接方法研究蛋白-配體作用模式在基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計中應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用于全新藥物設(shè)計、虛擬篩選、虛擬組合庫設(shè)計等。分子對接方法的基本原理分子對接中兩大關(guān)鍵問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)，進行分子對接計算時，首先在受體的表面凹槽產(chǎn)生一系列假定的結(jié)合位點，將配體分子放入該位點中，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進行結(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)配體分子進入結(jié)合位點時，通過一定的程序計算它們之間的可能的結(jié)合模式和結(jié)合能，并對結(jié)果進行評價，通過打分函數(shù)評判配體－受體的結(jié)合程度。9

分子對接的最初思想起源于19世紀Fisher提出的受體學(xué)說，F(xiàn)isher認為，藥物與體內(nèi)的蛋白質(zhì)大分子即受體會發(fā)生類似鑰匙與鎖的識別關(guān)系，稱為“鎖鑰模型”，這種識別關(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)說的發(fā)展，人們對生理活性分子與生物分子的相互作用有了更加深刻的認識，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分子對接方法的分類分子對接方法根據(jù)不同的簡化程度大致可以分為三類：（1）剛性對接在對接過程中研究體系的構(gòu)象不發(fā)生變化；（2）半柔性對接在對接過程中考慮配體的柔性；（3）柔性對接既考慮配體結(jié)構(gòu)的柔性又考慮受體的柔性。13（一）剛性的分子對接方法

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

對接兩個剛性分子可以理解為分子在空間的匹配問題，這種匹配可以是一種形狀上的互補或相互作用，如氫鍵受體與氫鍵給體的互補。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

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，三個環(huán)形頂點組織的三角形為這個圖集的一個最大團(clique)

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

一系列的球集填充在受體活性位點的表面，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，四個有效匹配的對應(yīng)點被考慮，先考慮配體中第一個球集與活性位點的球集的匹配，第二個點則滿足?d≤ε，其中?d為第二個匹配點中配體和受體的球心與第一個點球心的距離，第三個點又必需滿足與前兩個球心的距離限制，以上過程一直進行到找不到更多匹配點為止。17（2）基于poseclustering的方法

這種方法是一種基于模式識別的方法。

在LUDI模型中，如圖所示，對每一個作用基團，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表示，和對應(yīng)的配體的中心目標點相匹配。三個氫鍵受體的作用表面

Poseclustering算法中的作用點

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

Flexibase用來儲存小分子庫中每個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，每個分子根據(jù)rmsd的差異選擇25個系列構(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，這些片斷可以認為是剛性構(gòu)象或一個小的構(gòu)象系綜。一般，有兩種方法來處理:第一種方法是把一個片段放入受體的作用位點，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立地放入受體的作用位點，再重新連接至構(gòu)成一個完整的配體分子，這種策略稱為“放置&加”

“place&join”

。FlexXDock程序

第一個連續(xù)構(gòu)建的算法是Kuntz發(fā)展的Dock程序。首先，一個單獨的錨碎片通過手工選擇對接進受體的活性結(jié)合位點，并且考慮了氫鍵的作用。這個錨的優(yōu)勢位置主要包含有大量匹配氫鍵對、高打分值和低相似性。接著，在當(dāng)前錨位置加上一個碎片后，優(yōu)化的方法用來減少立體的張力和改善氫鍵的幾何構(gòu)型。用回溯算法（backtrackingalgorithm）來搜索整個配體在結(jié)合位點的非重疊放置空間。最后的位置通過過濾，優(yōu)化和基于力場的方法來打分評價。

FlexX也是一個基于連續(xù)構(gòu)建算法的對接程序。21（3）遺傳算法遺傳算法開始應(yīng)用到分子對接技術(shù)中：第一步，找出一個稱為染色體的線性表示符，描述構(gòu)型的所有自由度，找到這個染色體描述符是算法中最困難的一步。第二步，確定一個一個類似如打分函數(shù)的目標函數(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力學(xué)的方法

MonteCarlo模擬分子動力學(xué)模擬

23評價：打分函數(shù)

每一個對接的算法都會采用平衡了時效和精確度的簡單自由能預(yù)測方法，現(xiàn)在的打分函數(shù)主要包括三種：基于分子力場的方法、基于經(jīng)驗的回歸參數(shù)的方法、基于知識的打分函數(shù)。24（1）基于力場的方法

只考慮熱焓對能量的貢獻，不考慮熵的影響，一般情況下，采用標準力場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)驗的打分函數(shù)

基于經(jīng)驗的打分函數(shù)用多元回歸的方法擬合各種物理參數(shù)對結(jié)合自由能的貢獻，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）基于知識的打分函數(shù)

采用統(tǒng)計的方法，通過考察原子與原子之間相互接觸的頻率或距離來推測基團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，在對接中，打分函數(shù)用統(tǒng)計力學(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)來計算結(jié)合自由能。

基于知識的打分函數(shù)是一種比較有前途的方法。27對接軟件

文獻報道過的或者沒報道過的分子對接軟件有很多，很多最初都是由實驗室開發(fā)，免費發(fā)布。當(dāng)軟件很完善，沒有什么缺陷時，可能會被專門的商業(yè)軟件公司購買，就變成了某個大型軟件包中的模塊。

其實不止分子對接軟件，其他還有藥效團軟件、定量構(gòu)效關(guān)系軟件、數(shù)據(jù)庫篩選軟件等，都是這樣的發(fā)展歷程。不過，其中還是有一些實驗室，在商品化大潮的影響下屹立不倒，依舊免費給我們提供免費的強大的軟件，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信息。目前最新版本是4.2，速度很。單個CPU一天可以做40,000個剛性對接?？梢钥紤]蛋白質(zhì)側(cè)鏈的柔性。

官方主頁：/2、DOCK。DOCK也是以源代碼發(fā)布，對學(xué)術(shù)用戶免費?？梢韵蚬俜桨l(fā)郵件申請，他們會返回一個下載鏈接和帳號，可以使用5次。

官方主頁：/

3、3D-DOCK。

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

官方主頁：http://www.bmm.icnet.uk/docking/

294、FRED

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

申請試用版：/forms/eval_request.php

官方主頁：

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5、Surflex，Surflex對學(xué)術(shù)用戶免費，最初國內(nèi)的同行都說這個軟件最難申請，沒有申請成功的。

306、FlexX是另一個運算速度超快的分子對接軟件，收費。不過可以申請6周的試用版，速度很快。有獨立運行版本，也有Sybyl軟件包(TriposCo.Ltd.)中的一個模塊。

官方主頁：www.biosolveit.de/FlexX/

7、Glide。收費軟件，是Maestro軟件包中的一個模塊。運算速度也很快。8、GOLD。收費軟件，精度很好。以前可以申請2個月的試用版。9、ICM。ICM-pro是很大型的軟件包，收費，功能很強大，據(jù)說精度也很高。不過ICM-Browser是免費的，可以下載。下載鏈接/icm_browser.html

官方主頁：/index.html

3110、MVD。是最新出的軟件，據(jù)官方數(shù)據(jù)表明是對接精度最好的軟件，甚至要超過了Glide、Surflex、FlexX等軟件。提供一個月的試用期。不過運行速度很慢，按默認設(shè)置，對接一個分子需要10分鐘。

從這里申請下載（在線申請，不需要下載表格打印簽名發(fā)傳真）：

/mvd-trial.php

官方主頁

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

Dock 片段生長法 分子力場 快 ICM-Dock 隨機全局優(yōu)化半經(jīng)驗自由能 快Fred(openeye) 系統(tǒng)搜索 半經(jīng)驗自由能 快 34對接方法的應(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)化組合庫設(shè)計全新藥物設(shè)計預(yù)測蛋白配體復(fù)合物理解配體和受體的結(jié)合模式35分子對接計算的注意點小分子問題

起始構(gòu)象對對接結(jié)果有一定影響對接時應(yīng)以代謝物的結(jié)構(gòu)進行對分子進行加電荷和加氫處理蛋白質(zhì)問題

如何選擇合理的蛋白質(zhì)活性位點對接問題搜索結(jié)合模式的正確性、對接的效率、評分的正確性采用多個軟件進行評價，減少結(jié)合模式搜索誤差定量指標，需要結(jié)合分子動力學(xué)進一步評價分子對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)的準備是虛擬篩選的重要一步。虛擬篩選的蛋白靶標的結(jié)構(gòu)可以從PDB庫中直接下載使用：/pdb/index.html也可以通過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)獲取虛擬篩選的實現(xiàn)步驟2）接著是結(jié)合位點的描述，選擇合適的配體結(jié)合口袋對分子對接至關(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、突變等實驗信息來手動選擇結(jié)合部位。第二步，建立小分子數(shù)據(jù)庫二維結(jié)構(gòu)用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換程序如CORINA、CONCORD實現(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，便可以用于對接程序。第三步，對接和打分，這一步是虛擬篩選的核心步驟。對接操作就是把每個小分子放到受體蛋白的配體結(jié)合位點，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，對所有化合物根據(jù)打分排序，然后從化合物庫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計算分子的類藥性質(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)驗規(guī)則如“五規(guī)則”等，快速排除那些不適合進一步藥物開發(fā)的分子。通過以上四步處理，大部分分子從化合物庫中剔除，形成一個合理大小的化合物庫，僅對這些適合成藥的化合物或購買、或合成、或分離得到，然后再進行實際的生物測試。43（一）配體對CDK2，CDK4激酶選擇性的研究細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的一級序列存在高的同源性，它們之間一級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。至今為止，文獻報告的CDKs抑制劑有多種。44NU6102(6-cyclohexylmethyl-2-(4’-sulfam