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生物計算輔助藥物篩選

天然藥物反向?qū)ぐ邢到y(tǒng)

《天然小分子化合物反向?qū)ぐ袌蟾妗?/span>

1 目的
      針對客戶提供的1個化合物進(jìn)行反向虛擬篩選,結(jié)果返回給客戶。

2 材料與方法

    2.1 反向虛擬篩選材料

  客戶提供的1個化合物見表 1。
  表1.客戶提供的五個化合物
 1

  1. 2.2 反向虛擬篩選流程

         對接軟件:Glide或者Vina軟件。
         方法:基于受體的反向虛擬篩選方法基于分子對接原理,將小分子化合物一一對接到靶標(biāo)數(shù)據(jù)庫的靶標(biāo)活性位點上,根據(jù)化合物-靶標(biāo)的結(jié)合能大小打分排序,結(jié)合能越低,排名越前,潛在靶標(biāo)的可能性越大。

蛋白對接篩選庫:我們針對Scpdb數(shù)據(jù)庫,并結(jié)合我們自行研發(fā)的反向虛擬篩選數(shù)據(jù)庫,利用對接軟件進(jìn)行反向虛擬對接篩選,蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫共計23456種類蛋白質(zhì)。該蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫整合了目前RCSB PDB數(shù)據(jù)庫中所有已知晶體蛋白結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù),具有最為全面的蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息。對1個化合物分別提交反向虛擬篩選任務(wù)并返回前500個分子對接結(jié)果。


3 結(jié)果與分析
      每個化合物結(jié)果文件包括得分排名前500 對接文件信息,對接得分排序的前500個結(jié)果見列表Top_Target_500.csv 文件,我們挑選其中前50名小分子進(jìn)行重點分析,如下表所示:
      挑選能量最好、聚類最多的小分子位相用于結(jié)果分析。
化合物反向?qū)ぐ?

       以 compound1-Whole庫反向虛擬篩選排名第一的靶標(biāo)結(jié)果為例,簡要介紹如何通過靶標(biāo)信息分析和結(jié)合模式分析來查看反向虛擬篩選結(jié)果。compound1 排名第一的靶標(biāo)為Cytochrome P450 11B2, mitochondrial[Homo sapiens](第一列),靶標(biāo)蛋白質(zhì)文件為4dvq_1CA_10_[J](第三列,意思是PDBID:4dvq,結(jié)晶結(jié)構(gòu)配體名稱1CA,chain ID:J鏈)。在篩選時,如果篩選的目標(biāo)蛋白為人源蛋白,非篩選的蛋白為其他物種來源,則需要考慮其他物種來源蛋白與人員蛋白的序列同源性,否則可以直接放棄此靶標(biāo)。
    
    3.2.1 靶標(biāo)信息分析
    Compound1 排名第一的靶標(biāo)為 cyclin-dependent kinase 2 isoform 1 [Homo sapiens], 靶標(biāo)相關(guān)信息在Top_Target_500.csv 文件,詳細(xì)介紹可參考幫助文檔 http://reversedock.vslead.com/index.php?r=site/help。通過對已知化合物的藥理活性、治療領(lǐng)域的了解,結(jié)合 Top_Target_500.csv文件中的靶標(biāo)UNP_AC(第四列)數(shù)據(jù),去對應(yīng)UniProt數(shù)據(jù)庫搜索更全面靶標(biāo)信息,最終確定化合物的潛在作用靶標(biāo)。

    3.2.2 化合物和靶標(biāo)蛋白結(jié)合模式分析        
    compound1排名第一的結(jié)果文件為4dvq_10_1CA.pdbqt 和4dvq_10_1CA.log。4dvq_10_1CA.log為化合物對接后構(gòu)象得分。分析4dvq_10_1CA.pdbqt化合物對接后構(gòu)象,可用可視化軟件(如 Pymol,如Pymol打開有問題顯示化合物鍵有問題,可用Discovery Studio)打開,結(jié)合蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)(此處為 PDBID: 4dvq,在http://www.rcsb.org/下載即可),分析化合物-蛋白質(zhì)結(jié)合模式(圖2)和靜電表面結(jié)合情況(圖3)


化合物反向?qū)ぐ?
圖2 結(jié)合模式圖 A) 晶體結(jié)構(gòu)pdb:4dvq 結(jié)合模式圖; B)compound1 與 pdb:4dvq結(jié)合模式圖
化合物反向?qū)ぐ?
圖3靜電表面圖晶體結(jié)PDB:4DVQ ,棍狀化合物分別為配體1CA(green)和COM1(cartoon)。
該部分為前期數(shù)據(jù)結(jié)束以后,客戶最廣泛要做的業(yè)務(wù),在此提供僅供參考
    


4 基于鑒定蛋白的藥物分子設(shè)計與化學(xué)修飾
    計算機輔助藥物設(shè)計
    在鑒定所得蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,徹底分析了XYZ蛋白結(jié)合口袋周圍理化性質(zhì),報告如下:(a)突變前:小分子包圍在疏水口袋,親水氨基酸R125、E154與其形成氫鍵鉚釘作用,使其牢牢穩(wěn)固在蛋白質(zhì)中;(a)突變后:疏水環(huán)境大致不變,但氨基酸N125、I154造成很大空隙,親水性轉(zhuǎn)換為疏水口袋,穩(wěn)定性降低。

    分子動力學(xué)方法
 
   利用分子動力學(xué)方法對XYZ蛋白突變后與小分子Hormone間相互作用狀況進(jìn)行了計算模擬分析,以期得到蛋白質(zhì)在突變后的小分子結(jié)合信息。

(a)突變后XYZ蛋白Region A區(qū)域沒有變化,對該部分不做任何修改;

(b)Region B區(qū)域中,小分子下方出現(xiàn)巨大空洞,需要對該部分進(jìn)行補漏;

(c)Region B區(qū)域巨大空襲,在小分子穩(wěn)定結(jié)合時,下方出現(xiàn)由10~13個水分子組成的“水氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系”;

(d)“水氫鍵網(wǎng)絡(luò)體系”中,水分子能量Energy(球體大?。┖驼加新蔕ccupancy(球體顏色)均能表達(dá)出蛋白質(zhì)局部區(qū)域理化性質(zhì)。

具體總結(jié)為:Region B區(qū)域絕大多數(shù)水分子能量Energy極小、占有率Occupancy較小,說明該區(qū)域極為疏水;但其中W1水分子,能量較好、占有率較高,說明W1水分子極為穩(wěn)定,周圍氨基酸為極親水性氨基酸,將來可以通過替換W1水分子或通過橋鍵作用對其進(jìn)行化學(xué)修飾


化合物反向?qū)ぐ?
化合物反向?qū)ぐ?

基于體內(nèi)原生激素Hormone的藥物設(shè)計
    化學(xué)片段增長設(shè)計法

    基于分子動力學(xué)模擬結(jié)果,基于W1水分子相關(guān)信息,對Region B區(qū)域進(jìn)行了化學(xué)片段結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先設(shè)計的化學(xué)片段,將能夠有效的到達(dá)W1水分子附近,或?qū)⑵涮鎿Q掉。共設(shè)計母核結(jié)構(gòu)50枚,且均具備有機合成實驗方法實現(xiàn)的可能性。
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    分子對接方法判定最佳化學(xué)母核結(jié)構(gòu)
    利用分子對接方法,將50枚母核結(jié)構(gòu)分別對接進(jìn)入突變后蛋白質(zhì)XYZ結(jié)構(gòu)中,利用分子對接權(quán)重值,判定3枚小分子藥物在對接結(jié)果中占據(jù)較好的權(quán)重位置。采用C2、C1和C3進(jìn)行后期化學(xué)結(jié)構(gòu)改造。

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    新型母核結(jié)構(gòu)修飾,分子再對接
    對C2~3三類化合物進(jìn)行化學(xué)片段化結(jié)構(gòu)修飾。尤其以第2類C2化合物為重點研究對象?;贑2化合物,共設(shè)計化學(xué)片段78枚,而后再對這78枚新型化學(xué)分子進(jìn)行Molecular docking操作,預(yù)測其結(jié)構(gòu)屬性。
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    通過分子動力學(xué)模擬,計算蛋白質(zhì)Protein與小分子Ligand之間的能量體系,將最有能量體系進(jìn)行排名,得到前50位較好能量體系的小分子。
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    化學(xué)合成
    得到化合物結(jié)構(gòu)后,進(jìn)行化學(xué)合成工作。
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體外細(xì)胞活性實驗
(1)腫瘤細(xì)胞培養(yǎng)
(2)細(xì)胞活性實驗
    細(xì)胞毒性、細(xì)胞遷移、活細(xì)胞成像、實時動態(tài)活細(xì)胞成像、非標(biāo)記活細(xì)胞成像。
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    非常好的結(jié)果是:活性實驗良好,特別是C2-1等10個化合物對癌細(xì)胞的細(xì)胞活性數(shù)據(jù)IC50=45nm,具備極高的成藥潛在性。

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動物腫瘤模型構(gòu)建
      成立生物活性實驗室,加速動物活體實驗。
      將乳腺癌腫瘤細(xì)胞系,稀釋注射進(jìn)入小白鼠、大白鼠、白兔和黑猩猩體內(nèi),成功得到動物體內(nèi)腫瘤模型。
動物體內(nèi)活性實驗
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