Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Молекулярный докинг как метод компьютерного моделирования взаимодействия лиганда с белком. Учебно-методическое пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
Национальный исследовательский ядерный университет
«МИФИ»
Б.В. Шилов, А.Ю. Савченко, Н.С. Дубовик, А.А. Гармаш
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ДОКИНГ
КАК МЕТОД КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИГАНДА С БЕЛКОМ
Учебно-методическое пособие
Москва 2022
УДК 004.942:547.96
ББК 28c51, 20я73
Ш 59
Шилов Б.В., Савченко А.Ю., Дубовик Н.С., Гармаш А.А. Молекулярный до-
кинг как метод компьютерного моделирования взаимодействия лиганда с белком: Учебно-методическое пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2022. 28 с.
Пособие разработано для проведения занятий по молекулярному моделированию взаимодействия белка и лиганда с использованием программы Autodock 4.2.
Направлено на изучение и оценивание уровня межмолекулярного взаимодействия,
а также помогает получать знания о конформационных свойствах пары лиганд-белок. Такой подход является актуальным при конструировании лекарств и при изучении механизма действия лекарства на ми
Предназначено для студентов, проходящих курс по исследованию и разработке
лекарственных средств.
Рецензент заведующая кафедрой фармакологии и клинической фармакологии
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет»,
д-р мед. наук А.В. Бузлама
ISBN 978-5-7262-2861-7 © Национальный
Редактор М.В. Макарова
Подписано в печать 02.06.2022. Формат 60х84 1/16.
Уч.-изд.л. 1
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».
115409, Москва, Каширское ш., 31
,75. Печ.л. 1,75. Изд. № 004-1.
Тираж 150 экз.
Типография НИЯУ МИФИ.
шень.
исследовательский ядерный
университет «МИФИ», 2022
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Введение в моделирование межмолекулярных взаимодействий . 4
2. Подходы и методы проведения докинга ......................................... 4
3. Autodock – инструмент для проведения докинга ........................... 5
4. Этапы докинга ................................................................................... 6
5. Процесс проведения докинга ........................................................... 7
5.1. Работа с просмотрщиком........................................................... 7
5.2. Очистка молекулы белка от молекул растворителя
и разделение комплекса «низкомолекулярное вещество-белок» . 13
5.3. Подготовка файла рецептора .................................................. 16
5.4. Подготовка файла лиганда ...................................................... 17
5.5. Построение сетки (энергетических карт молекулы
белка/рецептора) ............................................................................. 20
5.6. Построение энергетических карт при помощи модуля
AutoGrid, входящего в ADT, на основе gpf-файла ....................... 23
5.7. Подготовка файла с параметрами докинга ............................ 23
5.8. Докинг ....................................................................................... 24
5.9. Оценка результатов докинга ................................................... 25
Заключение ........................................................................................... 26
Контрольные вопросы ......................................................................... 27
Список использованной литературы и интернет-источников ......... 27
4
1. ВВЕДЕНИЕ В МОДЕЛИРОВАНИЕ
МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Молекулярный докинг – метод расчета взаимодействия низкомолекулярного вещества с активным центром белка и предсказание
энергетически выгодной конформации низкомолекулярного вещества в этом активном центре.
Одна из основных трудностей при проведении процедуры докинга – учет внутренних степеней свободы лиганда и самого белка.
Существующие на сегодняшний день программы докинга можно
принципиально разделить на три группы в зависимости от того, каким образом в них учитываются внутренние степени свободы лигандов.
2. ПОДХОДЫ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ДОКИНГА
К первой группе относятся программы, использующие систематические методы: метод малых приращений, конформационный поиск и использование баз данных. В основе систематических методов
лежит попытка перебора всех степеней свободы молекулы, что зачастую приводит к проблеме комбинаторного взрыва, поэтому были
разработаны методики постепенного построения (приращения) лиганда внутри активного сайта. Одна из наиболее распространенных
методик – разделение лиганда на жесткую часть, которая позиционируется в активном центре, и гибкие фрагменты, которые постепенно пристраиваются к данному ядру. По данному принципу построены программы DOCK, FlexX, Glide. Другой метод – использование библиотек заранее рассчитанных конформаций. В таком случае проблема сводится к процедуре докинга заранее оптимизированного и жесткого лиганда в активный центр. Данная методика используется в такой программе, как FLOG.
Вторая группа – методы случайного поиска, или стохастические
методы. К ним относятся моделирование методом Монте-Карло, генетический алгоритм и др. В данных алгоритмах случайным образом меняется конформация лиганда или группы лигандов, а затем
оценивается энергия взаимодействия получившейся структуры с активным центром протеина. Метод Монте-Карло и генетический алгоритм используются в программах Autodock, DOCK, Gold.
5
Третья группа – прямые методы моделирования: молекулярная
динамика и минимизация энергии. Молекулярная динамика – наиболее популярный метод моделирования, но зачастую молекула при
моделировании может не преодолеть энергетический барьер за разумное время расчета, и лиганд будет позиционирован в локальном
минимуме, что приведет к ошибочной интерпретации результата.
С точки зрения наличия информации об активном сайте белка выделяют два типа докинга: так называемый «слепой» (blind docking)
и «прямой» (direct docking) докинги.
Когда активный сайт белка неизвестен, поиск сайта соединения и
конформации лиганда называют «слепым» докингом. Исследование
при «слепом» докинге ценны для поиска белок-белковых взаимодействий, когда обе макромолекулы, как предполагается, дополняют друг друга формой и межмолекулярными взаимодействиями.
В «слепом» докинге подразумевается, что энергетически выгодная
конформация с учетом комплементарности является искомой структурой.
Когда активный сайт известен, ситуация становится более простой, и используется «прямой» докинг. Как правило, кристаллизованный фермент, или рецептор, находится в комплексе с лигандом,
и сайт для последующего докинга выбирается, исходя из места расположения эталонного лиганда. Кристаллические структуры часто
содержат молекулы растворителя (воды) в активном сайте. Отдельные молекулы воды могут выступать в роли посредника при докинге
лиганда и белка, или могут непосредственно участвовать как молекулы ко-субстрата при катализе. Однако в большинстве исследований активные сайты лишены молекул воды.
3. AUTODOCK – ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ДОКИНГА
Программа Autodock позволяет проводить как «слепой», так и
«прямой» докинг.
Для выполнения работы понадобится установить программы Au-
todock и Autodock Tools на компьютер и использовать их для прове-
дения всех процедур, необходимых для молекулярного докинга.
6
Процесс установки в этом пособии не предусмотрен, все особенности установки и настройки можно найти на сайте Центра по вычислительной структурной биологии (Center for Computational Structural
Biology) по ссылкам https://autodock.scripps.edu/ и
https://ccsb.scripps.edu/mgltools/downloads/.
4. ЭТАПЫ ДОКИНГА
Процесс докинга состоит из следующих основных этапов.
1. Подготовка (получение) трехмерной компьютерной модели
лигандов.
2. Получение и подготовка трехмерной компьютерной модели
белка-мишени.
3. Создание файла с параметрами «сетки» энергетических карт
атомов лиганда (grid) и построение энергетических карт.
4. Создание файла с параметрами докинга.
5. Запуск докинга.
6. Оценка результатов докинга.
Для работы с программой Autodock используют графический ин-
терфейс, основанный на программе MGLTools. Ярлык для запуска
программы Autodock Tools (ADT) находится на рабочем столе. Интерфейс программы изображен на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Интерфейс программы Autodock Tools
По своим свойствам данный интерфейс является молекулярным
просмотрщиком и позволяет визуально манипулировать молекулами и их частями.
5. ПРОЦЕСС ПРОВЕДЕНИЯ ДОКИНГА
Рассмотрим процесс контрольного докинга, или, по-другому,
редокинга, бекла EGFR (будем использовать тирозин-киназный домен этого белка) с молекулой-ингибитором Эрлотинибом на основе
трехмерной структуры c PDB ID 1m17, полученной из базы данных
PDB [https://www.rcsb.org/].
Сначала для комфортной работы в программе ADT нужно
настроить окружение. Для этого на компьютере создайте папку, в
которой будет проводиться докинг, а затем в меню программы ADT
(File Preferences Set) укажите эту папку как Startup Directory и
сделайте ее директорией по умолчанию (кнопки Make Default и Set).
Важно, что ADT не умеет работать с русскими буквами в пути и
имени фа
йла, а также есть сложности, если в пути или имени к рабочей директории или файлу есть пробельные символы. Поэтому их
нужно избегать, чтобы уберечь себя от ошибок.
Скачайте файл с PDB ID 1m17 из PDB в созданную рабочую ди-
ректорию.
5.1. Работа с просмотрщиком
1. Откройте pdb-файл, содержащий молекулу белка в комплексе
с мо
лекулами растворителя и другими молекулами:
File → Read Molecule → 1M17.pdb → Open.
1M17.pdb – pdb-файл, взятый из базы данных Research
Collaboration for Structural Biology (RCSB) (www.rcsb.org),
содержащий исходную молекулу белка в комплексе с
низкомолекулярным веществом и молекулами растворителя.
Откройте файл 1M17.pdb также при помощи любого текстового
редактора (для Windows рекомендован Notepad++).
2-я и 3-я строки содержат наименование файла:
TITLE EPIDERMAL GROWTH FACTOR RECEPTOR TYROSINE KINASE DOMAIN
TITLE 2 WITH 4-ANILINOQUINAZOLINE INHIBITOR ERLOTINIB
7
8
Из данного наименования ясно, что файл включает в себя
тирозинкиназный домен рецептора эпидермального фактора роста
(EGFR) в комплексе с ингибитором под названием Эрлотиниб, который
по своей химической структуре является 4-анилинохиназолином.
Эрлотиниб (Тарцева) – разрешенный (в США и ряде других
стран, 2004) для лечения немелкоклеточного рака легких и рака поджелудочной железы обратимый и высокоспецифичный ингибитор
тирозинкиназного домена рецептора эпидермального фактора роста
(EGFR). Для примера, совокупный мировой объем продаж Тарцевы
в 2008 г. составил 1,2 млрд дол. США.
Наша задача может заключаться, например, в том, чтобы найти
другой действенный ингибитор EGFR среди ксантинов – группы веществ, к которым относятся кофеин, теофиллин, эуфиллин.
Взяв за постулат тот факт, что ежедневное употребление большого количества кофеина способствует ингибированию EGFR и замедляет рост опухолей, вызванных повышенной экспрессией и активацией EGFR.
Но все же кофеин не является достаточно действенным веществом по отношению к опухолям, в отличие от эрлотиниба. Возможно, что его структурные аналоги окажутся более эффективны,
чем кофеин, и при этом более дешевы в производстве, чем эрлотиниб. Проведя докинг с этими молекулами, и оценив его результаты,
мы сможем предположить возможность связывания среди ксантинов и предсказать лучшие варианты такого взаимодействия.
Теперь детально рассмотрим (прочитаем) содержимое файла
PDB.
Обратите внимание на следующие строки:
COMPND 2 MOLECULE: EPIDERMAL GROWTH FACTOR RECEPTOR;
COMPND 3 CHAIN: A;
COMPND 4 FRAGMENT: TYROSINE KINASE DOMAIN (RESIDUES 671-998);
Из них понятно, что в файле 1M17.pdb представлен лишь один
домен белка EGFR – тирозинкиназный домен (рис. 5.1). Он
обозначен как цепь А (chain A):
9
Рис. 5.1. Исходная молекула белка EGFR
SOURCE 2 ORGANISM_SCIENTIFIC: HOMO SAPIENS;
SOURCE 3 ORGANISM_COMMON: HUMAN;
Приведенные выше строки указывают, что данный рецептор
EGFR – человеческий (а не мышиный, кроличий и т.п.).
EXPDTA X-RAY DIFFRACTION
В этой строке указано, что данный pdb-файл получен при помощи
рентгеноструктурной кристаллографии. Через Ctrl + F найдите
строки, содержащие «HETATM»:
HETATM 2513 C1 AQ4 …
В строках, начинающихся с «HETATM», указаны координаты
атомов веществ, содержащихся в pdb-файле помимо белка.
Это эрлотиниб, обозначенный как AQ4 (4-ANILINOQUINAZOLINE):
HETATM 2540 C21 AQ4 …
10
а также вода (HOH) – растворитель, который авторы данного pdbфайла использовали при проведении рентгеноструктурной
кристаллографии:
HETATM 2543 O HOH …
В Autodock Tools заложены различные схемы отображения
молекул и цветовые схемы. Все это дает более наглядное
представление о структуре молекулы, пространственное
расположение аминокислотных последовательностей (первичной,
вторичной и третичной структуры белковой молекулы), также
позволяет изучить иерархический список молекул, полимерных
цепей (аминокислотных цепей в случае белка), химических
группировок (аминокислотных остатков в случае белка) и атомов.
По умолчанию молекулы отображаются как совокупность связей
между атомами: связи показаны как стержни, атомы – места
соединения этих стержней.
2. Нажмите кнопку «Float Dashboard Widget» на панели
инструментов. Кнопка выглядит так: . Будет открыта панель
(рис. 5.2), в которой отображена структура молекул в виде списка
(по умолчанию данная панель, PMV Molecules, находится в нижней
части окна ADT).
Рис. 5.2. Инструмент PMV Molecules
В этом списке в данный момент одна молекула – 1m17. При
нажатии по треугольнику слева от имени молекулы 1m17 будет
показан список субъединиц. Субъединицы, как правило, носят
имена A, B, C и т. д. Как мы уже выяснили при помощи текстового
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]