DS_Libdock教程

Discovery Studio LibDock教程

Libdock–最快的分子对接技术

目的：采用Libdock，以一组配体及一个明确活性位点的蛋白质为实例，示范分子对接及结果分析的操作过程。

所需功能和模块：Discovery Studio Visualizer client, DS LibDock, DS Catalyst Conformation。

所需数据文件：1kim.pdb和kinase_ligands.sd。

所需时间：0.5小时

介绍

基于结构的药物设计技术在药物研发中起着非常重要的作用。在药物分子产生药效反应的过程中，药物分子要与靶标相互结合，首先需要两个分子充分接近，采取合适的取向，使两者在必要的部位相互契合，发生相互作用，继而通过适当的构象调整，才能得到一个稳定的复合物构象。

基于结构的药物设计主要采用的是分子对接技术。分子对接就是把配体分子放在受体活性位点的位置，然后按照几何互补、能量互补以及化学环境互补的原则来实时评价配体与受体相互作用好坏，并找到两个分子之间最佳的结合模式。分子对接是从整体上考虑配体与受体结合的效果，能够较好避免其他方法中容易出现的局部作用较好而整体结合欠佳的情况。在药物设计中，分子对接方法主要用来从小分子数据库中搜寻与受体生物大分子有较好亲和力的小分子，进行药理测试，从中发现新的先导化合物。

本教程中，一组配体分子将被对接到胸苷激酶（thymidine kinase）中，本教程包括：

?准备分子对接体系，执行分子对接计算

?分析配体对接构象

准备分子对接体系，执行分子对接计算

1.定义蛋白为受体分子

图1 蛋白质三维结构示意图

在Files浏览器中找到数据文件1kim.pdb，鼠标双击，该蛋白将在三维窗口中出现。（图1）

点击选择下拉菜单Chemistry | Hydrogens | Add给蛋白添加氢。

展开Receptor-Ligand Interactions工具栏，在Tools浏览器中打开Define and Edit Binding Site 工具面板，点击“Define Receptor”，将前面选择的蛋白分子1kim定义为受体分子，供下一步使用。（图2）

图2 定义蛋白为受体

2.寻找受体中可能的结合部位

在Define and Edit Binding Site工具面板中点击“Find Receptor Cavities”寻找受体中可能的结合部位。（图3）在系统视图中展开1kim，可以看到识别出9个可能的结合位点，最大的可能的结合位点被展示在图形视图中。

结合位点区域有一个红色球，为SBD_Site_Sphere，可通过Show/Hide Site Spheres选择显示与否。勾选其它Site观看其它结合位点。

图3 从受体中寻找结合位点

3.修改活性部位球半径

单击选中SBD_Site_Sphere，右键选择“Attributes of SBD_Site_Sphere...”，打开“Sphere Object Attributes”对话框，将半径（Radius）选项设置为9，点击OK按钮。（图4）

增大半径的目的是为了使得活性部位的大多数点被包含在这个球内，这点可以从视图窗口得到证实。

图4 打开Sphere Object Attributes对话框，更改半径大小

在系统视图中通过点击“Site 1”前面的框将“Site 1”从三维窗口中隐去，在接着的对接中“Site 1”不会被用到。按CTRL+T隐去窗口中的数据表格（Data Table）。

4.打开配体文件

在文件浏览器中找到配体文件kinase_ligands.sd，双击，配体在新窗口中打开。（图5）

图5 以表格形式浏览待对接配体

5.打开流程，修改参数

在tools浏览器中展开Dock Ligands |High-Throughput Screening| Dock Ligands (LibDock) 流程，流程对应参数在参数浏览器中打开。（图6左）

在参数浏览器中，点击Input Receptor，从下拉列表中选择“1kim:1kim”设置受体蛋白。

点击Input Ligands 参数，从下拉列表中选择“kinase_ligands:All”，指定对接配体。

点击Input Site Sphere参数，从下拉列表中选择sphere的坐标（第一半径为9的binding site）。

点击Docking Preferences参数，从下拉列表中选择“User Specified”，根据需要改变对接计算的特定参数。

展开Docking Preferences参数，点击Max Hits to Save参数，输入值“10”。本教程中，修改缺省设置以减少对接所得的构象，减少所用时间。（图6右）

图6 打开Libdock对接流程

6.运行分子对接计算，查看结果

参数设置完毕后，点击Run运行作业。完成这个作业大约需要1分钟。

待作业完成后，双击作业浏览器中刚完成的分子对接作业，点击View Results，显示出配体打分最好的pose。

7.浏览对接poses

确保系统视图和表格浏览器打开，否则按CTRL+H和CTRL+T打开。按CTRL＋1隐藏流程浏览器和作业浏览器。然后在系统视图中删除“Site”文件及“binding site sphere”，以便观察结果。

图7 显示蛋白-配体之间氢键

点击表格中键和键将不同配体在图形窗口中显示出来。在Tools浏览器中选择Analyze Docking Results|Visualize Interactions|Receptor-Ligand Hydrogen Interactions，在视图窗口中，受体原子与配体对接poses间的氢键会通过绿线显示出来。（图7）为了更好的观察受体分子与配体对接pose间的相互作用，可以对体系进行旋转以获得最佳的观赏角度。

分析对接结果

使用Analyze Ligand Poses流程，受体与对接构象间形成的氢键以及过近接触（范德华碰撞）情况。

1.打开“Analyze Ligand Poses”流程，修改参数

在Tools浏览器中打开Analyze Docking Results|Visualize Interactions|Analyze Ligand Pose流程，相应的参数出现在参数浏览器中。

点击“Input Ligands”参数格，下拉列表中选择“Molecule:All”，选中Molecule窗口中所有配体构象。

点击“Input Receptor”参数格，从下拉列表中选择“Molecule:1kim”。展开“Input Receptor”参数，点击“Hydrogen Bond”参数格，从下拉列表中选择“True”。展开“Hydrogen Bond”参数，设置“Scope”参数为“Residue”和“Molecule”。对接得到的姿势与整个受体之间及受体的每个氨基酸残基形成的氢键数目将都被计算出来。

点击“Contacts”参数格，从下拉列表中选择“True”。展开“Contacts”参数，点击“Type”参数，从下拉列表中选择“All”。这一缺省选项计算每个对接pose与整个受体及每个对接pose与受体中单个氨基酸残基间的极性和非极性接触。点击“Scope”参数格，选择“Residue”。（图8）

图8 “Analyze Ligand Poses”流程参数设定

2.运行流程和查看结果

点击Run按钮开始计算，完成该作业大概需要1分钟。

在作业浏览器中，双击已完成的作业，在DS的Html窗口中打开Report.htm文件。在Html 窗口中“Output Files”部分点击“View Results”链接，分析计算的结果将以表格浏览器的形式打开，其中有些列中包括刚计算得到的性质：

●对接pose与整个蛋白形成的氢键数；

●对接pose与受体每个氨基酸残基形成的氢键数；

●对接pose与整个蛋白间的过近接触；

●对接pose与受体每个氨基酸残基间的过近接触。

点击“Molecule-Molecule Window”窗口，按“CTRL+1”隐藏其他浏览器使窗口最大显示。

3.产生氢键数热图

在表格浏览器中，点击“HBOND Count 32 1kim:A:GLU83”列头选择该列。然后使用滚动条滚动到“HBOND Count”列末，按SHIFT键，点击最末列列头，这将选择表格浏览器中所有包含氢键数目的栅格，其中每一列对应一个氨基酸残基，每一行对应一个pose。

在菜单栏中，选择Chart | Heat Map产生热图，热图中的热点对应着对接pose（Y轴）与受体氨基酸残基（X轴）形成的氢键。比如你可以从图中看到Gln125与许多对接pose形成氢键。（图9）

通过手动浏览所有的配体对接pose来识别这么多的氢键是非常具有挑战性的。热图快速显示氢键图谱，用于洞察那些对配体结合有重要贡献的氨基酸残基。

将鼠标指向热图中特定的栅格，浏览栅格对应的信息，如残基名称，pose数和氢键数目等。

图9 氢键数热图

4.产生过近接触数热图

图10 过近接触数热图

点击激活“Molecule-Molecule Window”窗口。在表格浏览器中，点击“Contacts 1 1kim:A:MET36”列头选择该列。然后使用滚动条滚动到“Contacts”列末，按住SHIFT键，点击最末列的列头，这将选择表格浏览器中所有包含过近接触数的栅格，同前面一样，其中每一列对应一个氨基酸残基，每一行对应一个pose。

在菜单栏中，选择Chart | Heat Map产生热图，热图中的热点对应着对接pose（Y轴）与受体氨基酸残基（X轴）之间的过近接触数目。移动鼠标到热图中的热点，可以看到某个pose的过近接触数目，垂直条纹表明某个残基与对接pose间的过近接触情况。（图10）

5.在图形窗口浏览过近接触

图11 过近接触示意图

Tools浏览器中Analyze Docking Results|Visualize Interactions工具面板下点击“Receptor- Ligand Bumps”，在视图窗口中，受体原子与配体对接poses间的过近接触会通过紫色线显

示出来。（图11）点击表格中键和键显示被选pose与受体原子之间的过近接触。不是所有pose都存在过近接触。

6.生成配体-蛋白相互作用二维平面图

图12 配体-蛋白相互作用二维平面图

DS3.0和DS2.55相比，在此步骤上做了大量简化。

首先选中要描述的配体（第一个1e2k），在Tools浏览器中点击Analyze Complexes |Analyze Single Complex下的Show 2D Diagram命令，可以看到在一新窗口中打开配体-蛋白相互作用二维平面图，便于我们更直观的观察两者的相互作用及关键的氨基酸和基团。（图12）