МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕЛКОВ С МАЛЫМИ МОЛЕКУЛАМИ – РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ИЕТОДА СЛЕПОГО ДОКИНГА Ю.Н. ВОРОБЬЕВ Institute Chemic

ДОСТУПНЫЕ ПАКЕТЫ для ДОКИНГА :
DOCK4.0, FlexX1.8, GOLD1.2, AutoDock4 находят структуры комплексов белок-лиганд
- Успешный докинг RMSD 2.0 A ~
вероятность 40-60 %
[Chen et al, J Comp.Chem. 2007, 28:612-623;
Предсказание абсолютной энергии связывания ??
нет надежных методов

ДОКИНГ:
ПОИСК ОПТИМАЛЬНОГО МЕСТА (СТРУКТУРЫ) СВЯЗЫВАНИЯ
ЛИГАНДА С МОЛЕКУЛОЙ БЕЛКА
DOCKING – GLOBAL OPTIMIZATION PROBLEM
для структуры комплекса белок-лиганд
Фазовое пространство задачи (степени свободы):
- позиция, ориентация, конформация лиганда
- конформация белка – индуцированная подстройка
- Метод Глобальной оптимизации ??
Целевая функция
Свободная энергия комплекса – не вычисляема
- Разумные аппроксимации
reliable scoring function ?
должна отличать нативный комплекс от неправильного

Scoring function - two groups:
Empirical scoring function – weighted sum of terms or descriptors, i.e. different energy terms,
weights are estimated on training set -
LIMITED TRANSFERABILYTY beyond of training P/L set
2) PMF – atom-atom potentials derived from 3D-dataset for P/L complexes, as a probability to find atom pair at a given distance – WEEK STAT.MECH. FOUNDATION – limited accuracy, SR ~ 55-70%
3) physics based scoring functions, i.e. Force Field used in atom-atom simulation of protein structure,
- highest rate of transferability
Наиболее надежны аппроксимации свободной энергии связывания =
потенциальная энергия + энергия сольватации + энтропия

We present the docking method MdDOCK which relay on:
1) physics based approaches
2) USE exhaustive hierarchical search for binding sites
on protein surface
3) USE physics based scoring function =
BINDING ENERGY : atom-atom potentials +
electrostatics + solvation model
4) global optimization for ligand and receptor conformations via molecular dynamics coupled with simulated annealing and force field deformation

Глобальная оптимизация в задаче ДОКИНГА
Подход в лоб не продуктивен –
известные методы используют:
- ручное ограничение исследуемого фазового
пространства - ОГРАНИЧИВАЕТСЯ область докинга
на поверхности белка -
НЕ ПРИЕМЛЕМО ДЛЯ СЛЕПОГО ДОКИНГА
Варианты генетического метода глобальной
оптимизации + локальные методы

ДОКИНГ – подобен самоорганизации
поверхность потенциальной энергии – ВОРОНОЧНАЯ-
Область низкой энергии в фазовом
пространстве – сайт связывания
в низком разрешении
Точная структура комплекса
белок-лиганд
- сайт в высоком разрешении

РАЗРАБАТЫВАЕТСЯ-
метод слепого иерархического ДОКИНГА
1) исчерпывающий анализ молекулярной поверхности молекулы белка
– поиск всех полостей, карманов, складок
- локализация позиций связывания в низком разрешении ~ 3 Å
2) Глобальная оптимизация позиции, ориентации,
конформации лиганда,
- оптимизация индуцированной подстройки белка
Глобальная оптимизация на основе
- метода Молекулярной Динамики
- деформация поверхности потенциальной энергии +
отжиг по температуре,
множественный старт из разных ориентаций(конформаций) лиганда из сайта низкого разрешения

Определение сайтов связывания низкого разрешения:
1 – Расчет поверхности молекулы белка ДОСТУПНОЙ сфере радиуса 1.4
2 – анализ и определение позиций центров
полостей, карманов и складок
на поверхности молекулы белка =
сайтов низкого разрешения
3 – Расчет ранга (числа контактов) сайтов низкого разрешения
4 - Определение сайтов связывания низкого разрешения с
наибольшим рангом

Сайты связывания в низком разрешении
1etr – thrombin/agrotroban complex

Распределение сайтов связывания по рангу (число контактов)

Определение приближенной ориентации лиганда:
Точечный образ лиганда ? натягивается на сайты связывания низкого разрешения
1etr – thrombin/agrotroban complex AGROTROBAN

МД глобальная оптимизация:
- молекулярная динамика для лиганда в окрестности сайта связывания низкого разрешения
- температурный отжиг + деформация поверхности
потенциальной энергии (стимуляция конформационных
переходов)
- Force Field – AMBER99 for VDW +
+ modified electrostatics
+ explicit HydrogenBonds
+ Solvation

Тrypsine/ benzamidine complex.
A – ранг низкого разрешения для сайтов связывания низкого
разрешения - ■
B – энергии связывания в сайтах связывания высокого разрешения- ▲

Benzamidine-tripsine 1bty
красный – структура минимальной энергии;
CPK- native.
нативная

1dwb : thrombin/ benzamidin complex
A – ранг низкого разрешения для сайтов связывания низкого
разрешения - ■
B – энергии связывания в сайтах связывания высокого разрешения- ▲

Docking results
1dwb : thrombin + benzamidine complex
Структура минимальной энергии - синий;
НАТИВНЫЙ-CPK- красный benzamidine in 1dwb complex,
Другие комплексы – yellow, brown, green.