導(dǎo)讀
分子對接和 ABFE 計算在預(yù)測配體結(jié)合能力方面各有優(yōu)劣趁餐，但結(jié)合使用可提高預(yù)測精度荸型。
ABFE 計算在藥物發(fā)現(xiàn)過程中具有重要地位鞍历，能通過識別潛在的強效生物分子靶標結(jié)合劑來發(fā)揮作用。作者使用元動力學(xué)（MetaD）毛仪、四種不同的分子對接程序和 MM/GBSA做瞪，評估了絕對結(jié)合自由能（ABFE）計算对粪。
元動力學(xué)展現(xiàn)了一定的準確度右冻，但不及 ABFE FEP 的結(jié)果。通過對 13 種晶體結(jié)構(gòu)的每種配體進行的集成對接協(xié)議表現(xiàn)更佳著拭，尤其是采用 Glide XP纱扭、Glide SP 或 AutoDock 4 進行分子對接時。
蛋白質(zhì)-配體復(fù)合物結(jié)構(gòu)和工具
- 16 個蛋白質(zhì)/配體復(fù)合物： PDB ID 在下文表格 3 查看儡遮，詳細說明在研究的支持信息中乳蛾。
- 使用的對接工具： Glide SP、Glide XP鄙币、AutoDock 4肃叶、AutoDock Vina。
對接
使用 Glide SP 和 Glide XP 進行對接
- 蛋白質(zhì)準備： 使用 Schr?dinger 的蛋白質(zhì)準備向?qū)Чぞ摺?/li>
- 配體分析： 使用 Epik 程序估算 pKa 值十嘿，并使用 OPLS 力場生成異構(gòu)體和立體異構(gòu)體因惭。
- 對接過程： 將配體對接到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，采用 SP 和 XP Glide绩衷。
使用 AutoDock 4 和 AutoDock Vina 進行對接
- 文件準備： 使用 AutoDockTools 創(chuàng)建蛋白質(zhì)和配體 pdbqt 文件蹦魔。
- AutoDock 4 參數(shù)： 網(wǎng)格盒中心的質(zhì)心，具體尺寸和對接運行咳燕。
- AutoDock Vina 過程： 使用默認參數(shù)勿决，重點關(guān)注網(wǎng)格盒大小和復(fù)制品。
元動力學(xué)（MetaD）
- 準備： 將結(jié)構(gòu)放置在 TIP3P 水盒中迟郎，添加 Na+離子和水分子剥险。
- 模擬： 使用 NAMD 2.13 進行最小化、加熱宪肖、平衡和去除約束表制。
- MetaD 具體內(nèi)容： 解綁軌跡、自由能障礙和高斯山參數(shù)控乾。
分析和結(jié)果解讀
- 相關(guān)性指標： Pearson r2么介，用于計算和實驗 ΔGb 之間的相關(guān)性。
- 排名度量： 標準化的 Kendall τ 距離蜕衡。
- 實驗 BFE 計算： 源自蛋白酶抑制測定中的 IC50 值壤短。
高級結(jié)合和評分技術(shù)
結(jié)合常數(shù)計算
- 方法學(xué)： 基于 Woo 和 Roux 的方程，考慮 PMF 值和恒定距離慨仿。
- 優(yōu)化： 專注于最小化 Kendall τ 距離和最大化 Pearson r2 值久脯。
MM/GBSA 評分
- 實施： 在 Prime 中用于最小化和評分。
- 參數(shù)： 原始 PDB 文件镰吆、OPLS3 力場和 VSGB 溶劑化模型帘撰。
結(jié)果概覽
分子對接：研究者通過自對接和交叉對接，對 16 種復(fù)合物進行研究万皿。使用了多種分子對接軟件摧找，例如 AutoDock 4 和 Glide XP/SP核行，并計算了多項性能指標，如均方誤差蹬耘、皮爾遜 r2 相關(guān)系數(shù)和 Kendall τ 距離芝雪。結(jié)果表明，對接精度高度依賴于受體的結(jié)構(gòu)综苔，不同受體結(jié)構(gòu)和評分函數(shù)的組合導(dǎo)致了不同的預(yù)測效果惩系。
ABFE 計算：通過 MetaD 方法對 16 種化合物進行了自由能預(yù)測，包括平均和中位數(shù) PMF 曲線的計算休里。盡管 MetaD 在某些方面表現(xiàn)優(yōu)于分子對接蛆挫，但整體而言，它的計算成本更高妙黍，且存在交叉復(fù)制收斂性問題悴侵。
方法結(jié)合：將分子對接和 ABFE 計算結(jié)合使用，可以提高對配體結(jié)合能力的預(yù)測準確性拭嫁。特別是超共識對接可免，即結(jié)合多個評分函數(shù)和多種蛋白質(zhì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的對接結(jié)果，展示了更高的相關(guān)系數(shù)和更低的 Kendall τ 距離做粤。
圖表 1：Pearson r2 和 Kendall τ 距離隨 r 的變化
當(dāng) r = 19.5 時浇借，Pearson r2 較大，Kendall τ 距離較小怕品，但部分結(jié)果的 ΔGb 值為正妇垢。為保持 ΔGb 值為負，研究者選擇在 r = 18.5 ? 時將 Pearson r2 最大化肉康，同時 Kendall τ 距離最小化闯估。
圖表 2：對接軟件性能評估
對不同分子對接軟件的評分結(jié)果進行比較，評價指標包括：(A) 平均絕對誤差（Kal/mol）吼和，(B) Pearson r2涨薪，及(C) Kendall τ 距離。
圖表 3：PDB ID 7M8Z 與 PDB ID 7M91 的結(jié)構(gòu)疊加
展示 PDB ID 7M8Z（綠色）和 PDB ID 7M91（棕色）的疊加結(jié)構(gòu)炫乓，并突出顯示關(guān)鍵殘基刚夺。兩結(jié)構(gòu)間均方根差為 0.715 ?。
圖表 4：化合物 9侠姑、11 和 16 的結(jié)合構(gòu)象展示
左圖展示化合物 9 的結(jié)合構(gòu)象，中圖為化合物 11箩做，右圖為化合物 16莽红。晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)象以金色表示船老，AutoDock 4 構(gòu)象以藍色表示，Glide XP 構(gòu)象以紫色表示圃酵。其他化合物的構(gòu)象見圖 S2 至 S13柳畔。
圖表 5：16 種化合物的 PMF 曲線
平均曲線用藍色表示，中位數(shù)曲線用紅色表示郭赐。平均值的標準偏差以灰色展示薪韩。圖表中注明了化合物編號。
圖表 6：實驗與計算結(jié)合能的相關(guān)圖
使用不同方法計算的實驗與計算結(jié)合能的相關(guān)性：(A) MetaD 平均 PMF 曲線計算捌锭，(B) MetaD 中位數(shù) PMF 曲線計算俘陷，(C) AutoDock 4，(D) AutoDock Vina观谦，(E) Glide SP拉盾，(F) Glide XP，(G) MM/GBSA豁状，和(H) Superconsensus捉偏。
表格 1：基于全部 13 個蛋白結(jié)構(gòu)的平均配體分子對接分數(shù)誤差度量
a 超級共識對接：在計算誤差度量前，將每個化合物基于 4 個評分函數(shù)和全部 13 個晶體結(jié)構(gòu)的對接分數(shù)進行平均計算泻红。
表格 2：MetaD 計算的絕對結(jié)合自由能（ABFE）夭禽，單位為 kcal/mol
缺點:
- 方法論局限性：
- 一些使用的計算方法具有未被充分討論或解決的固有局限性。
- 每種方法的參數(shù)和設(shè)置選擇可能不是最佳的或缺乏充分的理由谊路。
- 數(shù)據(jù)解釋和概括性：
- 結(jié)果的解釋可能過于樂觀讹躯，缺乏對數(shù)據(jù)的批判性評價。
- 對于其他系統(tǒng)或蛋白的研究發(fā)現(xiàn)的普適性討論不清晰缠劝。
改進建議
- 增強方法細節(jié)：
- 為選擇計算方法和參數(shù)提供更詳細的理由潮梯。
- 討論研究中使用的每種方法的局限性和潛在偏見。
- 改善數(shù)據(jù)解釋和范圍：
- 包括對結(jié)果的更批判性分析剩彬，承認潛在的弱點或其他解釋酷麦。
- 擴展對發(fā)現(xiàn)適用于其他病毒蛋白酶或藥物發(fā)現(xiàn)場景的討論。
參考資料:
Saar, A., Ghahremanpour, M. M., Tirado-Rives, J., & Jorgensen, W. L. (2023). Assessing Metadynamics and Docking for Absolute Binding Free Energy Calculations Using Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Main Protease Inhibitors. Journal of Chemical Information and Modeling, 63(22), 7210–7218. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.3c01453
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