Метод докинга в дизайне лекарственных препаратов Воронков Андрей

Метод докинга в дизайне лекарственных препаратов Воронков Андрей, к. х. н.

Модели лиганд-белкового взаимодействия Докинг – метод, который прогнозирует предпочтительную ориентацию одной молекулы, относительно другой в процессе их взаимодействия. В процессе докинга меняется ориентация лиганда или его частей относительно рецептора

Наиболее распространенные виды докинга Белок-белковый докинг Лиганд-белковый докинг

Подвижность белка и лиганда при докинге Меняется ориентация лиганда относительно рецептора в каждый заданный момент времени. Гибкий (вращение связей) Лиганд Все связи подвижны (молекулярная динамика, молекулярная механика) Подвижные боковые цепи аминокислот Гибкий Белок Жесткий Конформационный ансамбль Оптимизированная конформация

Пример: Gold Suite (CCDC), гибкий рецептор Можно выбрать аминокислотные остатки, боковые цепи которых могут вращаться в процессе докинга (конформационная подвижность боговой цепи, задается через углы вращения связей). Углы – можно брать из стандартной библиотеки ротамеров.

Конформационный ансамбль белка Рецептор эпидермального фактора роста (EGFR). Примеры программного обеспечения (свободного): Dynamite/Concoord: http: //www 3. mpibpc. mpg. de/groups/de_groot/concoord/ GROMACS: http: //www. gromacs. org/ NAMD: http: //www. ks. uiuc. edu/Research/namd/ Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2004 Dec; 60(Pt 12 Pt 1): 2280 -7. Epub 2004 Nov 26. Dynamite: a simple way to gain insight into protein motions. Barrett CP 1, Hall BA, Noble ME.

Конформационный ансамбль лигандов

Алгоритмы докинга Генетические алгоритмы Примеры программ: Autodock, Gold Monte Carlo Примеры программ: Par. DOCK, MCDOCK ) Алгоритмы докинга Оптимизация методом колонии муравьев. Пример программ: PLANTS Алгоритм структурного подобия (Shapecomplementarity methods) Примеры: DOCK, FRED, GLIDE, SURFLEX, e. Hi. TS Particle Swarm Optimization Примеры программ: FIPSDock, PSO@Autodock

Три типа оценочных функций Эмпирические - в эмпирических оценочных функциях используется разные, экспериментально полученные коэффициенты для учета взаимодействий разного типа. Коэффициенты получаются методом регрессионного анализа структур лиганд -белковых комплексов с высоким разрешением. Оценочные функции Функции силового поля. Взаимодействие с рецептором оценивается через суммирование сил межмолекулярных взаимодействий, Ван-дер-Ваальсовых и электростатических. Силовое поле - набор параметризации атомов, связей, позволяющее рассчитывать потенциальную энергию системы атомов. Примеры: Autodock, DOCK, Medusa. Score. Статистические - функции, полученные из анализа большого количества межмолекулярных взаимодействий - для получения потенциалов усредненной силы.

Ковалентный докинг Цель : необратимое ингибирование, пролонгированный биологический эффект Пример первого лекарства, действующего через ковалентное связывание – аспирин, который через ацетилирование ковалентно модифицирует фермент циклооксигеназу. 30% лекарств, действующих на ферменты относятся к ковалентным ингибиторам Свободный софт (сервер): http: //covalent. docking. org

Protein Data Bank (www. rcsb. org)

Результаты поиска в Protein Data Bank

Страница белка Разрешение - плотность измерения распределения электронной плотности молекулы. Грубо говоря это размер наименьшей различимой детали. Это минимальное расстояние межу элементами решетки в дифракционной картине (период).

Формат файлов. PDB банка белковых структур HEADER TRANSFERASE 18 -NOV-09 3 KR 7 # Идентификатор записи PDB. TITLE HUMAN TANKYRASE 2 - CATALYTIC PARP DOMAIN # Название белка COMPND 4 FRAGMENT: CATALYTIC DOMAIN; # Описание, например какой фрагмент белка и была ли применена генетическая инженерия при его получении SOURCE 2 ORGANISM_SCIENTIFIC: HOMO SAPIENS; # Организм, научное название KEYWDS CATALYTIC FRAGMENT, STRUCTURAL GENOMICS # Ключевые слова AUTHOR T. KARLBERG, P. SCHUTZ, C. H. ARROWSMITH, # Авторы REVDAT 1 15 -DEC-09 3 KR 7 0 # История изменений файла JRNL REF J. MED. CHEM. V. 53 5352 2010 # Журнал с публикацей REMARK 2 RESOLUTION. 1. 95 ANGSTROMS. # Различные пояснения, такие как разрешение, параметры установки рентгеноструктурного анализа и так далее. SEQRES 1 A 240 MET HIS HIS HIS SER GLY VAL ASP LEU # Аминокислотная последовательность белка HELIX 1 1 ASP A 962 THR A 975 1 14 # Описание вторичной структуры ATOM 1 N GLY A 952 -0. 230 -17. 852 21. 809 1. 00 31. 79 N ATOM 2 CA GLY A 952 -0. 910 -17. 955 20. 502 1. 00 30. 72 C # Поатомное описание структуры - порядковый номер атома, типа атома, порядковый номер аминокислоты, координаты и название элемента. HETATM 1900 O HOH A 1165 24. 121 4. 749 13. 755 1. 00 16. 83 O # Записть для небелковых атомов. TER # В конце белковой цепи или после координат лиганда. END # В конце записи.

Оценка разрешения данных рентгеноструктурного анализа белков Разрешение (Å) >4. 0 3. 0 - 4. 0 2. 5 - 3. 0 2. 0 - 2. 5 1. 5 - 2. 0 0. 5 - 1. 5 Выводы Индивидуальные координаты атомов не точны. Элменты вторичной структуры могут быть распознаны и расположены верно. Правильная укладка, но очень велика вероятность ошибок. Многие боковые цепи ориентированы неверно. Fold possibl Правильная укладка, но могут быть неверные ориентации некоторых петель. Наиболее длинные и тонкие боковые цепи (Lys, Glu, Gln, и т. д. ), а также небольшие боковые цепи (Ser, Val, Thr, и т. д. ) вероятно ориентированы неверно. Aпо сравнению с 2. 5 - 3. 0, значительно меньше количество боковых цепей с неверными ориентациями. Много мелких ошибок. Укладка правильная, процент ошибок в ориентации петель невысокий. Очень небольшое количество аминокислот имеют неверную ориентацию боковой цепи. Много небольших ошибок может оставаться. Укладка как правило верная. При таком разрешении в структурах как правило не содержится ошибок. Атомы имеют достаточно корректные координаты. Библиотеки ротамеров обычно делаются на основании структур с таким разрешением. Шаперон Gro. EL с разрешением от 4 до 32 Å

Программа визуализации Accerys Discovery Visualizer Studio

Discovery Studio Visualizer from Accelrys http: //accelrys. com/products/discovery-studio/visualization-download. php Ctrl+A – выделение всех молекул

Подготовка белка к докингу - Удаление воды (в некоторых программах можно оставить) - Добавление атомов водорода - Удаление лиганда из лиганд-белковых комплексов - Проверка сервисом Mol. Probity http: //molprobity. biochem. duke. edu/

Программа Chimera http: //www. cgl. ucsf. edu/chimera/

Подготовка лигандов. Пример генератора 3 D координат.

Генерация 3 D координат на примере Paclitaxel (Taxol) SMILES: CC 1=C 2 C(C(=O)C 3(C(CC 4 C(C 3 C(C(C 2(C)C)(CC 1 OC(=O)C(C(C 5=CC=CC=C 5)NC(=O)C 6=CC=CC= C 6)O)O)OC(=O)C 7=CC=CC=C 7)(CO 4)OC(=O)C)OC(=O)C До генерации 3 D координат После генерации 3 D координат

Популярность программ докинга

Auto. Dock Vina

MGL Tools – графический интерфейс для Autodock mgltools. scripps. edu

Графический интерфейс Autodock Tools

Использование программ Gold/Hermes www. ccdc. cam. ac. uk/products/life_sciences/gold/

Домашнее задание -Найти как можно больше программ докинга с открытым кодом -Найти как можно больше генераторов 3 х-мерных координат в свободном доступе

Приглашаем к научной работе! Контакты для связи: av@digitalbiopharm. com voronkov@qsar. chem. msu. ru +79259361160 Skype: drugdesign

Спасибо за внимание!