蛋白質(zhì)配體結(jié)合位點(diǎn)柔性的系統(tǒng)分析及分子柔性對(duì)接方法的發(fā)展和應(yīng)用.pdf

1、在藥物靶標(biāo)確定和三維結(jié)構(gòu)已知的情況下，基于受體結(jié)構(gòu)的虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)篩選方法利用分子對(duì)接技術(shù)自動(dòng)地匹配受體結(jié)合腔穴和化合物數(shù)據(jù)庫(kù)中的小分子三維結(jié)構(gòu)，然后利用基于分子力場(chǎng)的能量函數(shù)或者經(jīng)驗(yàn)性函數(shù)對(duì)分子對(duì)接的模式進(jìn)行打分，進(jìn)而選擇與受體相互作用最好的一組化合物進(jìn)行生物活性測(cè)試，從而大大節(jié)省了尋找先導(dǎo)化合物的費(fèi)用和難度。盡管分子對(duì)接在先導(dǎo)化合物的尋找方面有許多成功的應(yīng)用，但仍然存在很大的問(wèn)題，其中忽略蛋白柔性常常是導(dǎo)致失敗的重要原因。由于蛋白質(zhì)受體

2、和配體小分子在分子識(shí)別過(guò)程中，配體結(jié)合位點(diǎn)會(huì)發(fā)生不同程度的構(gòu)象變化，如何通過(guò)計(jì)算化學(xué)的方法去評(píng)估和預(yù)測(cè)配體結(jié)合位點(diǎn)殘基的構(gòu)象柔性，縮小構(gòu)象搜索的空間，一直是這個(gè)研究領(lǐng)域中具有挑戰(zhàn)性的一個(gè)重要問(wèn)題。幸運(yùn)的是，隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展，大量晶體結(jié)構(gòu)的解析，為我們更好的理解分子識(shí)別和改進(jìn)分子對(duì)接方法，提供了重要的資源和基礎(chǔ)。因此，我們建立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于研究配體結(jié)合位點(diǎn)柔性的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Flex-Site DB(http://flexsite.hu

3、anglab.org.cn/flexsite)，包括5，525個(gè)配體小分子結(jié)合位點(diǎn)，每個(gè)結(jié)合位點(diǎn)都包含多套蛋白晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)描述不同的蛋白構(gòu)象，總共30，313套晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。Flex-Site DB提供的信息有助于研究蛋白質(zhì)配體結(jié)合位點(diǎn)的構(gòu)象變化和蛋白質(zhì)與配體之間的相互作用，以及兩者之間的關(guān)系。同時(shí)，F(xiàn)lex-Site DB提供了配體結(jié)合位點(diǎn)的多個(gè)不同三維構(gòu)象，結(jié)合位點(diǎn)殘基的物理和化學(xué)的性質(zhì)，以及蛋白質(zhì)和配體相互作用的描述符。通過(guò)蛋白質(zhì)

4、晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)象變化的統(tǒng)計(jì)分析和多重時(shí)間尺度蒙特卡洛構(gòu)象搜索的方法，我們系統(tǒng)研究了配體結(jié)合位點(diǎn)殘基的柔性狀況。大部分的配體結(jié)合位點(diǎn)在結(jié)合了相似結(jié)構(gòu)的化合物時(shí)，構(gòu)象變化較小;在結(jié)合了結(jié)構(gòu)差異較大的化合物時(shí)，有顯著的構(gòu)象變化，但主要是在殘基的側(cè)鏈水平。對(duì)于配體結(jié)合位點(diǎn)同一類(lèi)型的極性殘基，能夠通過(guò)側(cè)鏈與配體小分子形成氫鍵的殘基，同側(cè)鏈不與配體形成氫鍵的殘基相比，更加剛性，突變率也更低。能與配體形成氫鍵相互作用的蛋白質(zhì)殘基側(cè)鏈剛性較強(qiáng)的原因可能是，

5、在與配體結(jié)合過(guò)程中，這類(lèi)殘基不發(fā)生較大構(gòu)象變化，從而減少熵的損失。我們的結(jié)果顯示，在先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化過(guò)程中，在大多數(shù)情況下只需要對(duì)少數(shù)幾個(gè)柔性較強(qiáng)的殘基進(jìn)行側(cè)鏈的構(gòu)象搜索。并且，我們通過(guò)多重時(shí)間尺度蒙特卡洛構(gòu)象搜索的方法預(yù)測(cè)配體結(jié)合位點(diǎn)的柔性殘基的策略以及通過(guò)Flex-Site DB中鑒定到的柔性殘基，能直接促進(jìn)我們對(duì)于柔性對(duì)接方法的發(fā)展。
　　 除了利用Flex-Site DB中殘基側(cè)鏈柔性的信息，我們使用多重時(shí)間尺度的

6、蒙特卡洛算法在沒(méi)有配體結(jié)合的情況下，對(duì)結(jié)合位點(diǎn)的殘基進(jìn)行構(gòu)象搜索，然后將搜索到的多個(gè)殘基構(gòu)象整合到DOCK3.5.54的柔性對(duì)接算法中來(lái)模擬“構(gòu)象選擇”的過(guò)程。此方法在10個(gè)不同的蛋白上進(jìn)行了測(cè)試，總共做了20個(gè)對(duì)接。其中11個(gè)對(duì)接中都獲得較好的結(jié)果，而剛性對(duì)接只有6個(gè)得到較好的結(jié)果。我們挑選了PIM1(proviral integration site in Moloney)激酶作為我們應(yīng)用柔性對(duì)接方法來(lái)虛擬篩選的實(shí)例。PIM1激酶是

7、與白血病和前列腺癌緊密相關(guān)的重要的藥物靶點(diǎn)蛋白。柔性對(duì)接不僅較好地重現(xiàn)PIM1激酶配體小分子的結(jié)合模式，而且還能提高陽(yáng)性化合物的富集率。柔性對(duì)接在PIM1激酶上虛擬篩選了小規(guī)模的LOPAC小分子化合物庫(kù)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)與PIM1形成很好相互作用的小分子硫利達(dá)嗪，是多巴胺受體D1/D2的選擇性拮抗劑，并通過(guò)測(cè)定半數(shù)抑制率確認(rèn)了它是PIM1和PIM3微摩爾級(jí)別的結(jié)構(gòu)新穎的抑制劑。另外，基于“誘導(dǎo)契合”學(xué)說(shuō)，我們改進(jìn)了柔性對(duì)接策略，在柔性對(duì)接生成的