反向找靶案例之中藥單體和靶點(diǎn)的結(jié)合模式預(yù)測(cè)及驗(yàn)證
之前，小陶介紹了一種反向靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)算法——COMET，并使用了 Apiopaeonoside 和 Sciadopitysin 兩種中藥單體進(jìn)行了操作演示。
接下來(lái)，讓我們一起回顧一下之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并探討后續(xù)推薦的實(shí)驗(yàn)思路。
結(jié)果分析思路
Apiopaeonoside 反向找靶的結(jié)果如下圖所示：
假設(shè)本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) Apiopaeonoside 能治療慢性阻塞性肺疾病、高血壓，而預(yù)測(cè)的第一個(gè)靶點(diǎn) Epoxide hydrolase 剛好和這兩種疾病相關(guān)，所以，第一個(gè)靶點(diǎn)雖然打分（Probability）較低，但是，其仍然值得我們嘗試后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。
Sciadopitysin反向找靶結(jié)果如下圖所示：
假設(shè) Sciadopitysin 有治療卵巢癌的效果，那么 Poly [ADP-ribose] polymerase 2 打分雖然不如 Poly [ADP-ribose] polymerase-1 好，但是，Poly [ADP-ribose] polymerase 2 和卵巢癌息息相關(guān)，所以，Poly [ADP-ribose] polymerase 2 仍然是我們首先考慮的靶點(diǎn)。
后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)假設(shè)，目前已經(jīng)得到了兩個(gè)分子可能的靶點(diǎn)。后續(xù)一般可以用 分子親合力實(shí)驗(yàn) 來(lái)證明小分子和蛋白確實(shí)是有結(jié)合的，比如SPR（表面等離子體共振技術(shù)）、MST（微量熱泳動(dòng)技術(shù)）。實(shí)驗(yàn)需要用到純化蛋白和小分子單體及對(duì)應(yīng)的儀器，蛋白和小分子陶術(shù)生物都可以提供，如果沒有實(shí)驗(yàn)儀器，也可以找陶術(shù)生物來(lái)做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)！
除上述說(shuō)的濕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法外，也可以嘗試采用動(dòng)力學(xué)作為補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。如黃以超團(tuán)隊(duì)在“Environmentally realistic dose of tire-derived metabolite 6PPD-Q exposure causes intestinal jejunum and ileum damage in mice via cannabinoid receptor-activated inflammation ”中所做實(shí)驗(yàn)一樣。
分子動(dòng)力學(xué)模擬
本次實(shí)驗(yàn)將以 Sciadopitysin 和 Poly [ADP-ribose] polymerase 2 復(fù)合物結(jié)構(gòu)為演示，采用 Amber24/Ambertool24 進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)內(nèi)容將在陶術(shù)小課堂中展示。內(nèi)容較多，會(huì)分步介紹，歡迎掃碼關(guān)注~
蛋白體系的準(zhǔn)備
首先，我們對(duì)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，我們需要注意以下7點(diǎn)：
A Non-Standard Residues
B Metals
C Experimental methods noted in the paper associated with the PDB
D Solvent molecules or crystallization buffer
E Missing electron density (amino acids)
F Disulfide Bonds
G Protonation States
A Non-Standard Residues
Non-Standard Residues（非標(biāo)準(zhǔn)殘基）是指PDB中20種天然氨基酸以外的其它氨基酸或者分子，包括輔因子（NADH、血紅素等）、非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸（羥脯氨酸等）、抑制劑/激動(dòng)劑或底物。如果有任何非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸，我們應(yīng)該考慮如何對(duì)這些殘基進(jìn)行建模。對(duì)于不含金屬或類金屬的小有機(jī)分子，構(gòu)建其結(jié)構(gòu)和使用antechamber一樣簡(jiǎn)單。對(duì)于更復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)殘基，需要使用別的方法。
B Metals
金屬的處理比較復(fù)雜，如果復(fù)合物結(jié)構(gòu)中包含金屬，應(yīng)該仔細(xì)考慮如何對(duì)其建模�？梢詤⒖糰mber軟件手冊(cè)�；蛘咴谝韵聝蓚�(gè)位置查看軟件目前已有的金屬力場(chǎng)$AMBERHOME/dat/leap/lib 和 $AMBERHOME/dat/leap/parm。
C Experimental methods noted in the paper associated with the PDB
使用PDB晶體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，一定要好好閱讀一下對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn)，并注意任何重要的結(jié)構(gòu)特征（比如二硫鍵）。還要注意用于解析結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)程序。有任何問(wèn)題，都可以直接編輯PDB文件來(lái)修復(fù)。注意以下幾點(diǎn)：
在某些情況下，溶劑或結(jié)晶緩沖液可能與蛋白質(zhì)一起結(jié)晶，并包含在PDB文件中。因?yàn)槲覀兒罄m(xù)采用顯式溶劑體系，所以我們可以保留結(jié)晶水。PDB文件里有時(shí)會(huì)出現(xiàn)其他溶劑或磷酸鹽。這些不會(huì)影響蛋白質(zhì)的功能，因此可以將其去除。
E Missing electron density (amino acids)
有時(shí)，PDB缺少電子密度，但是，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，必須要補(bǔ)全缺失的氨基酸�？梢圆捎靡韵虏僮鞑榭吹鞍资欠裢暾�
在晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的論文中，可以了解結(jié)構(gòu)的全貌，在VMD中看到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。Amber中對(duì)參與二硫鍵的半胱氨酸以CYX代替CYS。
G Protonation States
請(qǐng)記住，我們的最終目標(biāo)是模擬現(xiàn)實(shí)，這可能不一定反映在PDB結(jié)構(gòu)中。其中一個(gè)重要的例子是質(zhì)子化狀態(tài)。蛋白質(zhì)含有幾種非標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子化狀態(tài)的氨基酸。例如，天冬氨酸蛋白酶在其活性位點(diǎn)有一個(gè)質(zhì)子化的天冬氨酸殘基。在嘗試模擬蛋白質(zhì)之前，你應(yīng)該知道你的蛋白質(zhì)及其功能，你應(yīng)該了解它是否需要任何非標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子化狀態(tài)。
用X射線方法解析的的晶體結(jié)構(gòu)不含氫，因?yàn)樵摲椒o(wú)法解析。LEaP根據(jù)最佳氫鍵自動(dòng)向這些結(jié)構(gòu)中添加氫，同時(shí)遵循標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子化狀態(tài)。因此，如果不進(jìn)行必要的重新命名更改，具有非標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子化狀態(tài)的氨基酸將被錯(cuò)誤質(zhì)子化。
例如，在天冬氨酸蛋白酶的PDB中，質(zhì)子化的天冬氨酸將以Asp的重新命名，就像所有其他羧酸天冬氨酸一樣。這將導(dǎo)致LEaP質(zhì)子化，就像它是一種普通的天冬氨酸一樣。為了防止這種情況，必須將非標(biāo)準(zhǔn)Asp的別名更改為ASH（質(zhì)子化Asp的昵稱）。使用正確的別名，LEaP將正確質(zhì)子化您的氨基酸。表1顯示了一些常見質(zhì)子化狀態(tài)的別名
Table 1. AMBER Resnames of Common Non-standard Protonation States
蛋白結(jié)構(gòu)本身沒有問(wèn)題后，可以進(jìn)行后續(xù)的操作。
小分子結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備
準(zhǔn)備好的小分子還在蛋白結(jié)構(gòu)中，我們對(duì)其小分子進(jìn)行準(zhǔn)備，通過(guò)以下命令生成化合物的拓?fù)湮募?br />
antechamber -i lig1.mol2 -fi mol2 -o lig.mol2 -fo mol2 -c bcc -s 2
其中antechamber是調(diào)用的程序，-i是輸入，-f是格式，-o是輸出，-c bcc是采用AM1-BCC電荷模型計(jì)算原子點(diǎn)電荷，-s 2是提供verbosity狀態(tài)信息
parmchk2 -i lig.mol2 -f mol2 -o lig.frcmod
其中l(wèi)ig.frcmod是一個(gè)參數(shù)文件，可以加載到LEaP中以添加缺失的參數(shù)。這里它將包含所有缺失的參數(shù)。
tleap -f tleap_lig.in
對(duì)應(yīng)的腳本可以從官網(wǎng)，或者私信獲得。
復(fù)合物結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備
將復(fù)合物結(jié)構(gòu)中化合物的編號(hào)改為L(zhǎng)IG。
輸入如下命令，添加離子中和體系電荷、加入水和0.15M的NaCl
tleap -f tleap_complex.in #隱式溶劑模型
tleap -f tleap_ion_water.in #顯式溶劑模型
需要計(jì)算電荷，可以參考腳本。
體系弛豫
輸入命令：
bash all_relax.scr
注意，對(duì)應(yīng)的 min.in 腳本提前準(zhǔn)備好，可以從官網(wǎng)下載也可以，另外腳本如果沒有執(zhí)行權(quán)限，記得用 chmod 加上權(quán)限。對(duì)應(yīng)的解釋可以在官網(wǎng)或者私信。
運(yùn)行動(dòng)力學(xué)
輸入命令：
bash jobfile_production.sh
對(duì)應(yīng)的md.in腳本可以從官網(wǎng)獲取，也可私信。
目前，已經(jīng)做好全部的動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，后續(xù)等待結(jié)果，最后�？梢宰鲆恍┓治觯缦拢�
接下來(lái)，讓我們一起回顧一下之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并探討后續(xù)推薦的實(shí)驗(yàn)思路。
結(jié)果分析思路
Apiopaeonoside 反向找靶的結(jié)果如下圖所示：
假設(shè)本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) Apiopaeonoside 能治療慢性阻塞性肺疾病、高血壓，而預(yù)測(cè)的第一個(gè)靶點(diǎn) Epoxide hydrolase 剛好和這兩種疾病相關(guān)，所以，第一個(gè)靶點(diǎn)雖然打分（Probability）較低，但是，其仍然值得我們嘗試后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。
Sciadopitysin反向找靶結(jié)果如下圖所示：
假設(shè) Sciadopitysin 有治療卵巢癌的效果，那么 Poly [ADP-ribose] polymerase 2 打分雖然不如 Poly [ADP-ribose] polymerase-1 好，但是，Poly [ADP-ribose] polymerase 2 和卵巢癌息息相關(guān)，所以，Poly [ADP-ribose] polymerase 2 仍然是我們首先考慮的靶點(diǎn)。
后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)假設(shè)，目前已經(jīng)得到了兩個(gè)分子可能的靶點(diǎn)。后續(xù)一般可以用 分子親合力實(shí)驗(yàn) 來(lái)證明小分子和蛋白確實(shí)是有結(jié)合的，比如SPR（表面等離子體共振技術(shù)）、MST（微量熱泳動(dòng)技術(shù)）。實(shí)驗(yàn)需要用到純化蛋白和小分子單體及對(duì)應(yīng)的儀器，蛋白和小分子陶術(shù)生物都可以提供，如果沒有實(shí)驗(yàn)儀器，也可以找陶術(shù)生物來(lái)做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)！
除上述說(shuō)的濕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法外，也可以嘗試采用動(dòng)力學(xué)作為補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。如黃以超團(tuán)隊(duì)在“Environmentally realistic dose of tire-derived metabolite 6PPD-Q exposure causes intestinal jejunum and ileum damage in mice via cannabinoid receptor-activated inflammation ”中所做實(shí)驗(yàn)一樣。
分子動(dòng)力學(xué)模擬
本次實(shí)驗(yàn)將以 Sciadopitysin 和 Poly [ADP-ribose] polymerase 2 復(fù)合物結(jié)構(gòu)為演示，采用 Amber24/Ambertool24 進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)內(nèi)容將在陶術(shù)小課堂中展示。內(nèi)容較多，會(huì)分步介紹，歡迎掃碼關(guān)注~
首先，我們對(duì)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，我們需要注意以下7點(diǎn)：
A Non-Standard Residues
B Metals
C Experimental methods noted in the paper associated with the PDB
D Solvent molecules or crystallization buffer
E Missing electron density (amino acids)
F Disulfide Bonds
G Protonation States
A Non-Standard Residues
Non-Standard Residues（非標(biāo)準(zhǔn)殘基）是指PDB中20種天然氨基酸以外的其它氨基酸或者分子，包括輔因子（NADH、血紅素等）、非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸（羥脯氨酸等）、抑制劑/激動(dòng)劑或底物。如果有任何非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸，我們應(yīng)該考慮如何對(duì)這些殘基進(jìn)行建模。對(duì)于不含金屬或類金屬的小有機(jī)分子，構(gòu)建其結(jié)構(gòu)和使用antechamber一樣簡(jiǎn)單。對(duì)于更復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)殘基，需要使用別的方法。
B Metals
金屬的處理比較復(fù)雜，如果復(fù)合物結(jié)構(gòu)中包含金屬，應(yīng)該仔細(xì)考慮如何對(duì)其建模�？梢詤⒖糰mber軟件手冊(cè)�；蛘咴谝韵聝蓚�(gè)位置查看軟件目前已有的金屬力場(chǎng)$AMBERHOME/dat/leap/lib 和 $AMBERHOME/dat/leap/parm。
C Experimental methods noted in the paper associated with the PDB
使用PDB晶體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，一定要好好閱讀一下對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn)，并注意任何重要的結(jié)構(gòu)特征（比如二硫鍵）。還要注意用于解析結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)程序。有任何問(wèn)題，都可以直接編輯PDB文件來(lái)修復(fù)。注意以下幾點(diǎn)：
- 第一列中的HEATM標(biāo)簽意味著這些殘基默認(rèn)情況下不會(huì)通過(guò)鍵與周圍的氨基酸連接。查找/替換HEATM為“ATOM”，使序列連續(xù)。請(qǐng)確保保留ATOM后面的兩個(gè)空格，以便其余列將排列整齊。
- 第二列是原子序號(hào)，不要修改
- 第三列是原子的名稱。例如，CA是α-碳。因?yàn)榈鞍彼岵缓�，如果存在，我們需要將這個(gè)原子變成硫。將原子名稱從SE編輯為SD（蛋氨酸中硫原子的原子名稱）。將最后一列中的SE也更改為S。
- 第四列是上面提到的殘基名稱。將所有MSE條目更改為MET。
在某些情況下，溶劑或結(jié)晶緩沖液可能與蛋白質(zhì)一起結(jié)晶，并包含在PDB文件中。因?yàn)槲覀兒罄m(xù)采用顯式溶劑體系，所以我們可以保留結(jié)晶水。PDB文件里有時(shí)會(huì)出現(xiàn)其他溶劑或磷酸鹽。這些不會(huì)影響蛋白質(zhì)的功能，因此可以將其去除。
E Missing electron density (amino acids)
有時(shí)，PDB缺少電子密度，但是，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，必須要補(bǔ)全缺失的氨基酸�？梢圆捎靡韵虏僮鞑榭吹鞍资欠裢暾�
- 使用VMD顯示蛋白質(zhì)骨架，并尋找任何缺失。
- 或者，您可以在PDB文件中查找缺失的殘基。
在晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的論文中，可以了解結(jié)構(gòu)的全貌，在VMD中看到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。Amber中對(duì)參與二硫鍵的半胱氨酸以CYX代替CYS。
G Protonation States
請(qǐng)記住，我們的最終目標(biāo)是模擬現(xiàn)實(shí)，這可能不一定反映在PDB結(jié)構(gòu)中。其中一個(gè)重要的例子是質(zhì)子化狀態(tài)。蛋白質(zhì)含有幾種非標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子化狀態(tài)的氨基酸。例如，天冬氨酸蛋白酶在其活性位點(diǎn)有一個(gè)質(zhì)子化的天冬氨酸殘基。在嘗試模擬蛋白質(zhì)之前，你應(yīng)該知道你的蛋白質(zhì)及其功能，你應(yīng)該了解它是否需要任何非標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子化狀態(tài)。
用X射線方法解析的的晶體結(jié)構(gòu)不含氫，因?yàn)樵摲椒o(wú)法解析。LEaP根據(jù)最佳氫鍵自動(dòng)向這些結(jié)構(gòu)中添加氫，同時(shí)遵循標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子化狀態(tài)。因此，如果不進(jìn)行必要的重新命名更改，具有非標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子化狀態(tài)的氨基酸將被錯(cuò)誤質(zhì)子化。
例如，在天冬氨酸蛋白酶的PDB中，質(zhì)子化的天冬氨酸將以Asp的重新命名，就像所有其他羧酸天冬氨酸一樣。這將導(dǎo)致LEaP質(zhì)子化，就像它是一種普通的天冬氨酸一樣。為了防止這種情況，必須將非標(biāo)準(zhǔn)Asp的別名更改為ASH（質(zhì)子化Asp的昵稱）。使用正確的別名，LEaP將正確質(zhì)子化您的氨基酸。表1顯示了一些常見質(zhì)子化狀態(tài)的別名
| Non-standard Protonation Form | AMBER Resname |
| Protonated/uncharged Asp | ASH |
| Protonated/uncharged Glu | GLH |
| Deprotonated/uncharged Lys | LYN |
| His protonated at epsilon position | HIE |
| His protonated at delta position | HID |
| Charged His (protonated at both positions) | HIP |
| Deprotonated Cys or Cys bound to a metal | CYM |
| Cys involved in disulfide bridge | CYX |
蛋白結(jié)構(gòu)本身沒有問(wèn)題后，可以進(jìn)行后續(xù)的操作。
小分子結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備
準(zhǔn)備好的小分子還在蛋白結(jié)構(gòu)中，我們對(duì)其小分子進(jìn)行準(zhǔn)備，通過(guò)以下命令生成化合物的拓?fù)湮募?br />
antechamber -i lig1.mol2 -fi mol2 -o lig.mol2 -fo mol2 -c bcc -s 2
其中antechamber是調(diào)用的程序，-i是輸入，-f是格式，-o是輸出，-c bcc是采用AM1-BCC電荷模型計(jì)算原子點(diǎn)電荷，-s 2是提供verbosity狀態(tài)信息
▲輸出之后對(duì)應(yīng)的界面
▲完成的界面
parmchk2 -i lig.mol2 -f mol2 -o lig.frcmod
其中l(wèi)ig.frcmod是一個(gè)參數(shù)文件，可以加載到LEaP中以添加缺失的參數(shù)。這里它將包含所有缺失的參數(shù)。
tleap -f tleap_lig.in
對(duì)應(yīng)的腳本可以從官網(wǎng)，或者私信獲得。
復(fù)合物結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備
將復(fù)合物結(jié)構(gòu)中化合物的編號(hào)改為L(zhǎng)IG。
▲復(fù)合物結(jié)構(gòu)的修改
輸入如下命令，添加離子中和體系電荷、加入水和0.15M的NaCl
tleap -f tleap_complex.in #隱式溶劑模型
tleap -f tleap_ion_water.in #顯式溶劑模型
需要計(jì)算電荷，可以參考腳本。
體系弛豫
輸入命令：
bash all_relax.scr
注意，對(duì)應(yīng)的 min.in 腳本提前準(zhǔn)備好，可以從官網(wǎng)下載也可以，另外腳本如果沒有執(zhí)行權(quán)限，記得用 chmod 加上權(quán)限。對(duì)應(yīng)的解釋可以在官網(wǎng)或者私信。
運(yùn)行動(dòng)力學(xué)
輸入命令：
bash jobfile_production.sh
對(duì)應(yīng)的md.in腳本可以從官網(wǎng)獲取，也可私信。
目前，已經(jīng)做好全部的動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，后續(xù)等待結(jié)果，最后�？梢宰鲆恍┓治觯缦拢�
動(dòng)力學(xué)結(jié)果樣圖
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