|
Докинг – одна из самых
главных и важных стадий процесса компьютерного моделирования лекарств. Основной
задачей докинга является построение модели структуры комплекса молекулы лиганда
(биологически активного вещества) и молекулы рецептора (биомишени). Обычно
молекула рецептора представляет собой белковую макромолекулу, а молекула
лиганда - малую молекулу. Реже встречаются примеры белок-белкового докинга. Сегодня мы поговорим о видах докинга, методах догинга, программах для докинга, проблемах докинга и сферах его применения.
Методы докинга
Выделяют два основные метода докинга:
1. Жёсткий докинг (rigid docking)
2. Гибкий докинг (flexible docking)
Метод жесткого докинга не учитывает конформационную подвижность как для
рецептора, так и для лиганда. Таким образом, задача докинга сводится при
использовании этих методов к нахождению оптимальной ориентации лиганда (в
конкретной конформации) в сайте связывания рецептора. Поскольку этот метод
наиболее прост с вычислительной точки зрения, он сформировался раньше всех. Но,
как правило, исследование конформационно подвижных лигандов, таких как,
например, ГАМК, этим методом достаточно затруднительно. Фактически жёсткий
докинг можно свести к оценке энергии данного конкретного комплекса.
Гибкий докинг учитывает конформационную подвижность лиганда, но не учитывает конформационную подвижность молекулы рецептора. Подавляющее большинство
современных программ докинга работают, основываясь именно на этом принципе. По
сути своей гибкий докинг может быть сведён к автоматическому перебору
конформаций и ориентаций лиганда в сайте связывания и оценке энергии
взаимодействия.
Наиболее перспективные, но и наиболее вычислительно сложные методы докинга
позволяют учитывать конформационную подвижность не только лиганда, но и
рецептора. На сегодняшний день существуют лишь отдельные программные комплексы,
специально предназначенные для докинга, в которых реализована такая
возможность. Наиболее простой вариант реализации полностью гибкого докинга
позволяет учитывать конформационную подвижность боковых цепей аминокислотных
остатков, расположенных непосредственно в сайте связывания (induced fit).
Конформационная подвижность основной цепи белка и другие процессы, происходящие
при связывании лиганда, на сегодняшний день могут быть подробно исследованы
только методами молекулярной динамики.
Программы для докинга
Dock
Особенности алгоритма:
потенциалы лиганд-рецепторного взаимодействия вычисляются в узлах
пространственной сетки, покрывающей сайт связывания. Поиск сайта связывания
возможен по геометрическим параметрам; при этом поверхность рецептора
аппроксимируется набором сфер, касающихся поверхности в двух точках и
расположенных снаружи от поверхности. В первой версии программы поверхность
лиганда представлялась набором аналогичных сфер, расположенных внутри
поверхности. Ключевое приближение: атомы лиганда могут располагаться только в
центрах сфер. В текущей версии программы автоматически происходит разделение
молекулы лиганда на якорный фрагмент, для которого ведётся поиск оптимальной
ориентации, и внешние заместители, для которых ведётся исследование всех возможных конформаций.
Оценочные функции: в текущей
версии программы возможна оценка энергии связывания с помощью энергетической (energy
scoring), контактной (contact scoring) и континуальной (continuous
scoring) функций, различные виды оценки по обобщённому методу Борна (generalised
Born).
Также возможно совместное использование Dock6 и AMBER для учёта
подвижности рецептора с использованием неявно заданного растворителя.
Область применения:
Dock -- одна из наиболее популярных и быстро
развивающихся программ докинга. Высокая скорость работы при
использовании простых оценочных функций и возможность параллельных
вычислений позволяют проводить эффективный виртуальный скрининг больших
библиотек соединений. Использование более сложных оценочных функций,
учитывающих эффекты растворителя и изменение конформации рецептора,
позволяет проводить подробное исследование связывания конкретного лиганда с рецептором.
AutoDock Особенности алгоритма:
Использован
генетический алгоритм поиска оптимальной конформации. Отсутствует
поддержка виртуального скрининга, различных оценочных функций,
параллельных вычислений. В версии AutoDock 4 учитывается подвижность молекулы рецептора
Область применения: AutoDock – самая
популярная из всех программ докинга. Чаще всего AutoDock
используют для
исследования поверхности рецептора с целью выявления потенциального
сайта связывания (если он неизвестен). Скорость работы позволяет за
разумное время исследовать всю поверхность рецептора, что невозможно с
помощью, например, Dock (впрочем, здесь определённую роль играют также некоторые внутренние ограничения Dock, связанные с используемыми языками программирования).
Hex
Особенности алгоритма:
использование полярных корреляций Фурье (polar Fourier correlations) для
ускорения вычислений; графический интерфейс.
Область применения:
белок-белковый докинг.
Surflex-Dock
Особенности алгоритма: На основе
данных о структуре сайта связывания рецептора конструируется протомолекула (protomol),
состоящая из фрагментов СО, CH4 и NH, на которую накладывается структура
лиганда. При конформационном поиске молекула фрагментируется таким образом,
чтобы минимизировать число перебираемых конформаций. Оценка энергии связывания
проводится с помощью эмпирической оценочной функции. Алгоритм программы
отличается высокой скоростью работы.
Область применения: Данная
программа применима как для внимательного исследования механизма взаимодействия
лиганда с рецептором, так и для виртуального скрининга. Имеются сведения, что
автор программы отрицательно относится к российским пользователям и не
предоставляет им лицензию. Впрочем, более новая версия программы
распространяется фирмой Tripos. eHiTS - программа для быстрого и гибкого докинга целых молекулярных структур
(или их фрагментов) в активные центры рецепторов,
высокопроизводительный виртуальный скрининг.
FlexX- быстрая и гибкая программа для предсказания белок-лигандных
взаимодействий и высокопроизводительного виртуального скрининга.
FRED - точная и быстрая программа молекулярного докинга, по словам
разработчиков, скорость расчета-оценки достигает 10 конформеров
(лиганда) в секунду, а оценка сродства с помощью традиционных оценочных
функций производится после прохождения фильтра на предмет стерической
комплементарности лиганд-рецепторного комплекса и его фармакофорных
особенностей.
Glide
- мощная программа молекулярного докинга, позволяющая также проводить
быстрый молекулярный докинг баз данных химических соединений
(виртуальный скрининг).
GOLD -
программа для лиганд-белкового докинга на основе генетического алгоритма. Программа полностью учитывает конформационную
подвижность лиганда и частично - гибкость боковых цепей аминокислотных
остатков белковой молекулы. Используются оценочные функции (scoring
functions): GoldScore, ChemScore, а также определенные пользователем.
Molegro Virtual Docker 2006 (Molegro)
- программа для предсказания лиганд-рецепторных взаимодействий. По
данным разработчиков, программа MolDock продемонстрировала более
высокую точность проведения докинга по сравнению с аналогичными
продуктами других разработчиков - правильность предсказания 87%
комплексов тестового набора (для сравнения - другие программы - Glide:
82%, Surflex: 75%, FlexX: 58%, GOLD: 78%).
Также существуют и другие менее популярные программы для докинга - Gramm, zDock и другие, о
которых мы расскажем в следующих статьях.
Некоторые роблемы, которые могут возникнуть при работе с программами докинга
В результате работы программ докинга мы получаем набор конформаций лиганда
(лигандов), оптимально расположенных в сайте связывания рецептора. Степень
достоверности этих результатов и сложность выбора правильного решения полностью
зависят от используемой структуры мишени и использованного метода.
1. Достоверность структуры сайта
связывания.
Совершенно очевидно, что любое исследование сайта связывания, выполненное с
использованием модели, а не непосредственно исследованной пространственной
структуры рецептора, является лишь гипотезой. В то же время даже рентгеновская
структура или структура, полученная методом ЯМР, может являться недостаточно
достоверной из-за небольших ошибок в определении конформации остатков,
принимающих участие в связывании. Кроме того, использование при получении
кристаллов различных буферных растворов и лигандов может влиять на структуру
сайта связывания
Решение этих проблем возможно с помощью различных методов уточнения структуры
--- минимизации энергии, молекулярной динамики, привлечения дополнительных
данных --- и выходит за рамки докинга. Тем не менее, уточнение структуры сайта
связывания -- важнейшая задача, поскольку ошибка на этой стадии может привести
к большим и необоснованным денежным затратам.
2. Оценочная функция.
Использование недостаточно адекватной оценочной функции может приводить как к
ошибкам в определении точного расположения лиганда в сайте связывания, так и к
ошибочному определению соединений-лидеров при виртуальном скрининге.
Обязательно требуется проверка достоверности оценочной функции для данной
конкретной мишени на основе, например, ренгеновских структур комплексов лиганда
и рецептора (при их наличии) или нахождения истинных лигандов в специально
составленной базе случайных соединений.
3. Участие молекул воды.
Зачастую связывание лиганда и рецептора опосредуется молекулой воды. При
использовании стандартных методов докинга потенциальное наличие этой молекулы
не учитывается никак. Решение этой проблемы возможно при использовании
молекулярной динамики в явно заданном растворителе или с помощью
предварительного размещения требуемой молекулы в сайте связывания (сложный и
неоднозначный вариант).
4. Подвижность рецептора. 5. Конформации лиганда.
|
