第07讲-基于受体的药物设计.ppt

1、药 物 设 计 学,王远强,1,2,思考题,简述分子对接方法的原理及主要应用； 全新药物设计的基本步骤包括哪些？,3,第四节 基于受体的药物设计方法之一 -分子对接 (Molecular Docking),4,基于受体结构的药物设计直接法,给定一个药物受体或受体的结合位点 找出能够与位点结合改变受体作用的化合物,全新药物设计的基本流程,5,6,基于受体结构的药物设计思路流程图,对接,所谓分子对接主要研究分子间（即配体和受体）相互作用，预测并计算结合模式和亲和力的一种理论模拟方法。分子对接就是受体和底物之间通过能量匹配和几何匹配而互相识别的过程。 分子对接是一种广泛应用的研究分子间相互作用的分子

2、模拟方法，其本质是找到已知结构的分子之间合理的结合构象，其过程涉及分子之间的空间匹配和能量匹配。 分子对接方法已经有几十年历史，利用分子对接方法研究蛋白-配体作用模式在基于结构的药物设计中应用非常广泛，主要应用于全新药物设计、虚拟筛选、虚拟组合库设计等。,分子对接方法的基本原理,分子对接中两大关键问题是分子间的空间匹配和能量匹配。 (1) 空间匹配是分子间发生相互作用的基础，进行分子对接计算时，首先在受体的表面凹槽产生一系列假定的结合位点，将配体分子放入该位点中，如果两者之间满足分子的空间匹配原则，则可以结合；如果不能满足则选择其他位点进行结合。 (2) 能量匹配是分子间保持稳定结合的基础。当

3、配体分子进入结合位点时，通过一定的程序计算它们之间的可能的结合模式和结合能，并对结果进行评价，通过打分函数评判配体受体的结合程度。,9,分子对接的最初思想起源于19世纪Fisher 提出的受体学说，Fisher认为，药物与体内的蛋白质大分子即受体会发生类似钥匙与锁的识别关系，称为“锁钥模型”，这种识别关系主要依赖两者的空间匹配。即受体与配体的相互识别首要条件是空间结构的匹配。,配体 受体 复合物,受体配体的锁和钥匙模型,10,随着受体学说的发展，人们对生理活性分子与生物分子的相互作用有了更加深刻的认识，从基于空间匹配的刚性模型逐渐发展成为基于空间匹配和能量匹配的柔性模型。,11,药物与受体的结

4、合强度取决于结合的自由能变化,G结合 = H结合 - T S结合 = -RT ln Ki,大部分的分子对接法忽略了全部的熵效应，而在焓效应也只考虑配体与受体的相互作用能，即：,Einteraction= Evdw + Eelectrostatic + Eh-bond,12,分子对接方法的分类,分子对接方法根据不同的简化程度大致可以分为三类： （1）刚性对接 在对接过程中研究体系的构象不发生变化； （2）半柔性对接 在对接过程中考虑配体的柔性； （3）柔性对接 既考虑配体结构的柔性又考虑受体的柔性。,13,（一） 刚性的分子对接方法,这种方法是最初的分子对接的方法，在对接中，小分子和蛋白质两种都

5、保持刚性。,基于最大团搜索的方法 （Clique-Search Based Approaches）,对接两个刚性分子可以理解为分子在空间的匹配问题，这种匹配可以是一种形状上的互补或相互作用，如氢键受体与氢键给体的互补。搜索在三维空间中有效的条件下的最大匹配。,14,受体的活性位点,配体,有效匹配的距离图集,受体配体的示意图，字母代表特征部分如氢键等，相应的有效匹配的图集如右，三个环形顶点组织的三角形为这个图集的一个最大团(clique),15,Dock对接程序中刚性对接的算法就是基于这种思想,Dock利用球集来表示受体活性位点和配体的形状,16,一系列的球集填充在受体活性位点的表面，这些球集代

6、表能被配体占据的体积。配体可以用球集表示或者用自己的原子表示，在Dock程序中，四个有效匹配的对应点被考虑，先考虑配体中第一个球集与活性位点的球集的匹配，第二个点则满足d ，其中d为第二个匹配点中配体和受体的球心与第一个点球心的距离，第三个点又必需满足与前两个球心的距离限制，以上过程一直进行到找不到更多匹配点为止。,17,（2）基于pose clustering的方法,这种方法是一种基于模式识别的方法。,在LUDI模型中，如图所示，对每一个作用基团，定义作用中心和作用表面。受体的作用表面近似地用离散的点表示，和对应的配体的中心目标点相匹配。,三个氢键受体的作用表面,Pose clusterin

7、g 算法中的作用点,18,（二）柔性对接中的构象产生方法,（1）构象的系综方法,Flexibase用来储存小分子库中每个分子的一系列不同构象，用距离几何和能量最小化的方法产生构象，每个分子根据rmsd的差异选择25个系列构象。,19,（2）片段的方法,片段的方法是处理小分子柔性的最通用的方法，配体分割成一些小的片断，这些片断可以认为是刚性构象或一个小的构象系综。一般，有两种方法来处理: 第一种方法是把一个片段放入受体的作用位点，然后加上余下的片段，这种方法称为连续构建 “incremental construction”. 第二种方法把所有或一部分片段独立地放入受体的作用位点，再重新连接至构成

8、一个完整的配体分子，这种策略称为“放置&加” “place & join” 。,FlexX,Dock程序,第一个连续构建的算法是Kuntz发展的Dock程序。 首先，一个单独的锚碎片通过手工选择对接进受体的活性结合位点，并且考虑了氢键的作用。这个锚的优势位置主要包含有大量匹配氢键对、高打分值和低相似性。 接着，在当前锚位置加上一个碎片后，优化的方法用来减少立体的张力和改善氢键的几何构型。用回溯算法（backtracking algorithm）来搜索整个配体在结合位点的非重叠放置空间。 最后的位置通过过滤，优化和基于力场的方法来打分评价。 FlexX也是一个基于连续构建算法的对接程序 。,21

9、,（3） 遗传算法,遗传算法开始应用到分子对接技术中：,第一步，找出一个称为染色体的线性表示符，描述构型的所有自由度，找到这个染色体描述符是算法中最困难的一步。 第二步，确定一个一个类似如打分函数的目标函数。,著名的GOLD，Autodock软件包括了这种算法。,22,（4）基于分子模拟的方法,模拟退火的方法，Autodock程序包含了这种方法,分子动力学的方法,Monte Carlo模拟 分子动力学模拟,23,评价：打分函数,每一个对接的算法都会采用平衡了时效和精确度的简单自由能预测方法，现在的打分函数主要包括三种：基于分子力场的方法、基于经验的回归参数的方法、基于知识的打分函数 。,24,

10、（1）基于力场的方法,只考虑热焓对能量的贡献，不考虑熵的影响，一般情况下，采用标准力场的非键作用能如真空静电和范德华作用能作为打分函数，如DOCK程序中采用AMBER的能量函数：,25,（2） 基于经验的打分函数,基于经验的打分函数用多元回归的方法拟合各种物理参数对结合自由能的贡献，如FlexX程序中采用这种函数。所采用的方程包括，配体旋转键的个数、氢键、离子键、疏水和芳香环的堆积作用以及亲水作用。这种方法能快速直接地估算结合自由能。,26,（3）基于知识的打分函数 采用统计的方法，通过考察原子与原子之间相互接触的频率或距离来推测基团相互作用的有利或者不利。 最初应用于蛋白质结构预测，在对接中

11、，打分函数用统计力学的方法得到蛋白质配体的复合物结构，用分子间距离的平均能的加和为函数来计算结合自由能。 基于知识的打分函数是一种比较有前途的方法。,27,对接软件,文献报道过的或者没报道过的分子对接软件有很多，很多最初都是由实验室开发，免费发布。当软件很完善，没有什么缺陷时，可能会被专门的商业软件公司购买，就变成了某个大型软件包中的模块。 其实不止分子对接软件，其他还有药效团软件、定量构效关系软件、数据库筛选软件等，都是这样的发展历程。不过，其中还是有一些实验室，在商品化大潮的影响下屹立不倒，依旧免费给我们提供免费的强大的软件，甚至是源代码（source code）。,28,1、AutoDo

12、ck 据官方数据显示，autodock是引用文献最多的软件（Sousa, Fernandes & Ramos (2006) Protein-Ligand Docking: Current Status and Future Challenges Proteins, 65:15-26）。 AutoDock向外提供源代码，只要下载协议单（license agreement），签名后传真发回，就可以获得下载链接和帐号信息。目前最新版本是4.2，速度很。单个CPU一天可以做40,000个刚性对接。可以考虑蛋白质侧链的柔性。 官方主页：/,2、DOCK

13、。 DOCK也是以源代码发布，对学术用户免费。可以向官方发邮件申请，他们会返回一个下载链接和帐号，可以使用5次。 官方主页：/ 3、3D-DOCK。 免费以源代码发布，分为三个部分：FTDock, RPScore，MultiDock。 官方主页：http:/www.bmm.icnet.uk/docking/,29,4、FRED 是Openeye软件包中的一个模块。Openeye软件包对学术用户免费1年，普通用户可以申请2个月的试用期。只要在线申请就可以，不需要下载申请表打印签字发传真。不过FRED速度超快，在各种平台都可运行。Openeye软件包中除了分子对接

14、软件，还有数据库筛选软件，分子格式转化软件（Babel），图形可视化软件（Vida），溶剂化工具等。 申请试用版： 5、Surflex，Surflex对学术用户免费，最初国内的同行都说这个软件最难申请，没有申请成功的。,30,6、FlexX是另一个运算速度超快的分子对接软件，收费。不过可以申请6周的试用版，速度很快。有独立运行版本，也有Sybyl软件包(Tripos Co. Ltd.)中的一个模块。 官方主页：www.biosolveit.de/FlexX/ 7、Glide。收费软件，是Maestro软件包中的一个模块。运算速度也很快。 8、GOLD。收费软件，精度很好。以前可以申请2个月的试

15、用版。 9、ICM。ICM-pro是很大型的软件包，收费，功能很强大，据说精度也很高。不过ICM-Browser是免费的，可以下载。下载链接 官方主页：,31,10、MVD。是最新出的软件，据官方数据表明是对接精度最好的软件，甚至要超过了Glide、Surflex、FlexX等软件。提供一个月的试用期。不过运行速度很慢，按默认设置，对接一个分子需要10分钟。 从这里申请下载（在线申请，不需要下载表格打印签名发传真）： 官方主页,32,33,名称 构象搜索方法 结合评价方法 速度 Flex X (Sybyl)片段生长法 半经验自由能快 LigandFit(Cerius2)蒙地卡罗模拟 半经验自由

16、能快 Glide (薛定谔软件)系统搜索 半经验自由能一般 Gold 遗传算法 半经验自由能快 Affinity（InsightII) 蒙地卡罗/MM/MD 分子力场 慢 AutoDock 遗传算法 半经验自由能一般 Dock 片段生长法 分子力场 快 ICM-Dock 随机全局优化 半经验自由能快 Fred (openeye)系统搜索 半经验自由能快,34,对接方法的应用,估算配体和受体之间的结合能力 虚拟筛选 先导化合物的优化 组合库设计 全新药物设计 预测蛋白配体复合物 理解配体和受体的结合模式,35,分子对接计算的注意点,小分子问题 起始构象对对接结果有一定影响 对接时应以代谢物的结构

17、进行 对分子进行加电荷和加氢处理 蛋白质问题 如何选择合理的蛋白质活性位点 对接问题 搜索结合模式的正确性、对接的效率、评分的正确性 采用多个软件进行评价，减少结合模式搜索误差 定量指标，需要结合分子动力学进一步评价,分子对接用于虚拟筛选的具体流程,第一步，受体模型的建立：,蛋白质结构的准备是虚拟筛选的重要一步。虚拟筛选的蛋白靶标的结构可以从PDB库中直接下载使用：/pdb/index.html,也可以通过和家族中同源蛋白的序列、结构信息比较，同源模建而得。,1）大分子结构获取,虚拟筛选的实现步骤,2）接着是结合位点的描述，选择合适的配体结合口袋对分子对接至

18、关重要,一种是直接从配体受体复合物结构中抽出；,选择口袋有两种方式：,如果没有复合物结构，则需要根据生物功能如结合、突变等实验信息来手动选择结合部位。,第二步，建立小分子数据库,二维结构用结构转换程序如CORINA、CONCORD实现三维结构的转化。,建好的三维结构加氢加电荷后，便可以用于对接程序。,第三步，对接和打分，这一步是虚拟筛选的核心步骤。,对接操作就是把每个小分子放到受体蛋白的配体结合位点，优化配体构像和位置，使之与受体有最佳的结合作用，给最佳结合构象打分，对所有化合物根据打分排序，然后从化合物库中挑出打分最高的小分子。,第四步 命中化合物的后处理,通过计算分子的类药性质ADME/T

19、 (吸收absorption、器官分布distribution、体内代谢metabolism、排泄excretion 和毒性toxicity)性质的估算，排除那些不具有类药性质的分子。,可以利用一些经验规则如“五规则” 等，快速排除那些不适合进一步药物开发的分子。,通过以上四步处理，大部分分子从化合物库中剔除，形成一个合理大小的化合物库，仅对这些适合成药的化合物或购买、或合成、或分离得到，然后再进行实际的生物测试。,43,（一） 配体对CDK2，CDK4激酶选择性的研究,细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinases, CDKs）是一类Ser/Thr 蛋白激酶，直

20、接参与调控细胞分裂周期，顾名思义，CDK只在周期蛋白Cyclin活化下才能工作. 现在已经发现了13种CDK蛋白激酶和25种周期蛋白Cyclin，但它们具体的生物功能还不十分明了。其中CDK2、CDK5、CDK6已经解析出晶体结构，但CDKs的一级序列存在高的同源性，它们之间一级序列的高同源性暗示了三维结构的相似性。,CDK1、CDK2、CDK4、CDK6是基于CDKs结构化学治疗癌症的主要靶标。至今为止，文献报告的CDKs抑制剂有多种 。,44,NU6102 (6-cyclohexylmethyl-2-(4-sulfamoylanilino) purine)是第一个基于活化状态的CDK2-c

21、yclin A复合物结构的高效的小分子抑制剂。实验表明NU6102对CDK2和CDK4有着不同的选择活性，对CDK2有一个较高的亲和力Ki= 6nM，但是对CDK4的亲和力比较低Ki = 1600nM，为了解释这种选择性差异的起源。,小分子NU6102的结构,CDK2NU6102的作用模式图,45,解决思路：,采用同源模建、分子对接、分子动力学模拟和自由能计算来阐明配体和激酶的作用机理。,由于CDK4的三维结构还没有解析出来，所以我们通过序列联配、同源模建的方法得到CDK4的结构，在通过分子对接的方法得到NU6102CDK4的复合物结构。,46,CDK2和CDK4的序列联配，序列同源性45.6

22、%,47,通过分子对接得到CDK4NU6102的作用模式,通过CDK4NU6102复合物和CDK2NU6102复合物结构对比，可以很清楚地看到造成NU6102亲和力差别的主要原因是在CDK2NU6102复合物中，Asp86位起了一个很重要的识别作用，它与配体的磺胺基形成了两个稳定的氢键，并且通过能量分解的方法也可以得到导致配体活性差异主要识别基团在磺胺基,48,第五节 基于受体的药物设计方法之二 -全新药物设计,全新药物设计（de novo drug design）就是根据靶标分子结合位点的几何特征和化学性质，设计出与其相匹配的具有全新结构的化合物。,49,全新药物设计的一般过程,50,具体步

23、骤：,（一） 确定活性位点 根据靶标的三维结构以及受体配体的作用特征，合理定义受体活性结合位点的结构和化学特征，如疏水场分布、氢键作用位点、静电场分布、立体结构等特征，这些特征除了从受体的结构或生化实验中得到外，也可以用一些计算的方法得到如COMFA模型、药效团模型、分子对接模型等等。 如果只知道靶点的三维结构，而不知道配体与靶点作用的结合位点，可根据靶点蛋白的互补与小分子配体的互补原则确定结合位点。常用的是活性位点分析法（active site analysis, ASA）。,51,活性位点分析法（active site analysis, ASA）,ASA方法主要预测与生物大分子有较好结合

24、的原子或基团，用来分析的探针分子可能是一些简单的分子或碎片，例如水或苯环，结果可找到这些分子或碎片在活性部位中的可能结合位置。这一方法在全新药物设计方法中十分重要，并且是一个成功的全新药物设计的重要组成部分。,52,如图 显示了怎样将一些典型分子碎片放置在受体活性部位中的合适位置上。,53,评价选择的碎片和靶标蛋白活性位点结合好坏的方法有好几种： 基于能量计算的方法，用分子力场的方法，计算碎片与受体大分子的作用能，这种方法计算量大，计算依赖于力场参数，并且在能量计算中，溶剂的作用十分重要。,现在发展了一些经验计算方法来克服这些缺点，这些经验参数是建立在大量实验数据的基础上，虽然其物理意义不是十

25、分明确，但比较实用，并且计算速度比能量计算方法快。,54,基于ASA方法有关的软件：Grid,Grid，是Goodford等发展的评价小的有机分子片段和受体相互作用的方法。 其基本的原理将受体生物大分子的活性部位划分为有规则的网格点，将探针分子放置在这些网格点上，用分子力场的方法计算网格点上各种探针分子与受体活性位点原子的相互作用能，得出一系列能量值，负的能量值代表探针与蛋白分子间的作用区域。根据探针的不同，可确定作用属于哪一类型。,55,ASA方法能获得不同碎片与受体结合的最佳位置，并且通过能量评价可以发现不同碎片与受体结合的取向，为以后的配体分子的产生打下了基础，再者运用不同的碎片作为探针

26、，大大扩大了分子设计的范围，可以提供多个候选分子参考合成。,优点：,56,（二） 产生合适的配体分子,根据活性位点的特征，产生相应的相匹配的配体小分子片段，用连接基团将小分子片段连接成完整的分子。,（1）自动模板定位法Automated molecular template-directed drug design,模板定位法是指在受体活性部位用模板构建出一个形状互补的图形骨架，然后再根据其他性质如静电、疏水和氢键性质，把骨架图形转化为一个具体分子。,a. 建立模版库 模板库为三维图形，其顶点表示原子，边表示键。模板可分为环状模板和非环状模板。 b. 放置一个模版 首先选择一个合适形状的模板，

27、将模板的顶点置于靶点中心，模板围绕顶点旋转而选择合适位置。 c. 模版连接 在初始模板的基础上，加入新的模板来构建骨架，骨架朝剩余靶点的位置生长。得到满足所有立体条件的空间骨架，裁去与靶点发生碰撞的部分， d. 新化合物生成 用适当的原子和化学键取代模板中的顶点和边，以产生所需要的静电、疏水和氢键相互作用。,自动模板法步骤,60,（2）原子生长法（atombuild）,原子生长法是指在受体活性部位根据静电、疏水和氢键相互作用，逐个添加原子，最终生长出与受体活性部位性质、形状互补的分子。 其初始结构可以是一个种子原子（受体上容易形成氢键的原子），也可以是一个初始基团。 生长方式可以是随机生长和系

28、统生长。 随机生长可根据结构和构象进行取样，提高效率。系统生长则能产生所有可能的结构，但因此产生大量的结构，难以后期处理。,61,62,（3）碎片连接法（linked-fragment approach） 碎片连接法就是将与受体活性位点有较好作用的基团用连接基团连接起来，这一基本思想就是组成整个分子的各部分，它们本身能与受体有很好的结合，对整个分子与受体的结合都有贡献。 首先要有储存各种碎片的碎片库和各种连接子的连接子库。,63,这种方法可以很快地把位于活性口袋中的候选片段进行连接得到完整的配体分子，碎片与受体活性部位的结合方式可以用多种方法得到，碎片间的连接方式也有多种，同时也可以设计柔性骨架，考虑碎片和骨架的柔性。但设计的分子可能比较复杂，难以合成。代表软件有HOOK，CAVEAT，SPLICE等。,64,（4）碎片生长法 (fragment build) 逐步生长法以一个片段为起点，逐步生长得到一个完整的配体分子的方法。 如果以不同的孤立片段做为起点，可以得到不同的配体分子，这种方法在生长的过程中，新加入的片段一般会进行构象分析来确定最佳构象，这样很大程度上可以避免漏筛，但这种