摘要:SPARK水分子替换 在之前的博文《SPARK教程|水分子替换》一文中的中描述了如何进行水分子替换优化化合物的活性,在当时的版本中,还没有Water Replacement Wizard。本文专门针对Water Replacement Wizard而写,描述SPARK如何与Flare结合,完美地实现水分子替换。

SPARK水分子替换简介

利用结晶水优化先导化合物结合亲和力的基本逻辑是:将介导配体与蛋白间氢键网络作用的水分子合并为配体的一部分,那么自然就增强了配体与蛋白间的结合亲和力。SPARK是一款基于配体的基团替换软件,采用Cresset专有的XED场技术将水与起始配体一起作为参比分子,进行数据库搜索可以找到代替水分子的分子片段。在《SPARK教程 | SPARK替换结晶水分子》一文已经演示了如何用Forge将起始分子与水分子合并,然后用SAPRK的生物等排替换功能, 以一个选择性BTK(Bruton’s tyrosine kinase)抑制剂的X-衍射晶体结构为起始分子(IC50=100nM)进行水分子的替换获得更强的化合物,最后将IC50提高到12nM与4nM水平(Figure 1)。新版的SPARK专门提供了Water replacement模块,让水分子的替换变得非常简单、便利。本文主要演示了如何联用SPARK与Flare,便捷地实现水分子替换。

SPARK水分子替换(与Flare联合使用)-墨灵格的博客

Figure 1. 左:起始的化合物与识别出来的可替换结晶水(PDB ID: 4ZLZ);中、右:SPARK生成的两个被文献报道过活性的化合物,IC50分别为12、4nM。

操作步骤

1.复合物晶体的下载

打开Flare,Flare | File | PDB Downloader, 弹出PDB Downloader对话框,输入PDB 代码:4ZLZ,点击OK按钮。

2. 打开蛋白

此时弹出Open Molecule对话框,确保protonation state下拉菜单为Do full preparation on protein and ligand,其它为默认设置,然后点击OK。

3. 结构准备

如Figure 2所示,在弹出的Flare Protein Preparation对话框中,将Cap trains与Auto Extract Ligand选项框打钩,而去掉Copy protein选项卡的打钩;将active site size设置为6 Å;其它用默认值,点击Start开始准备结构。

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Figure 2. 蛋白结构准备

4. 合并准备好的配体与蛋白结构

准备完毕,在Flare图形界面上的配体表单会出现一个新的配体4VR,在蛋白表单则出现一个蛋白4zlz,用鼠标点击配体表单的4VR配体,按住鼠标左键,将配体拖放到蛋白表单的4ZLZ蛋白里,松开右键,即得到复合物结构。此时,配体表单里的配体也不见了,而蛋白表单里则多了一个配体4VR。

5. 导出复合物结构备用

在蛋白表单里右键点击4zlz,点击export,导出复合物结构,保存为4zlz.pdb,备用。

步骤4,5视频演示

6. SPARK Water Replace实验

双击SPARK图标打开SPARK,选择New Project;或者SPARK | File | New Project,在New Project Wizard中点击Water replacement。

在Load Starter and water to replace对话框中,点击Broswer,读入上一步准备好的复合物结构4zlz.pdb。在弹出的Open Molecules对话框中选择Protonation state为Use input protonation states,因为Flare已经准备好质子化状态;然后点击Open。

7. 选择起始的配体与要替换的水分子

在Protein editor对话框,用鼠标点击名称为4VR配体,再单击use as reference按钮,则4VR被设置为我们的初始配体。

在Residue那一列,找到残基号为954的行,为一个水分子,用鼠标单击它,再单击use as water,现在我们设置好了要被替换的水分子,新设计的分子将有片段代替水与蛋白发生氢键相互作用。

点击Import as protein按钮,导入起始配体与要被替换的水分子。

8. 选择配体被替换的片段

在New project wizard对话框点击Next按钮,弹出Select the region of the starter molecule to replare对话框。按住用鼠标右键,选择甲基吡啶部分。点击next 按钮。

9. 编辑附着点的原子类型

SPARK需要设定附着点的原子类型,以便控制化合物的合理性与合成可行性。这里我的设定如下Figure 3所示。

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Figure 3. 附着点原子类型的设定

点击Commit,弹出Load additional ligand(s) to guide water displacement,在这里我们直接点Next按钮就可以。

10.设置约束条件:添加场约束

在弹出的Set Constrains对话框里,单击Field Constrains下的Add按钮,然后分别单击水分子的蓝色与红色场点,会出现Constrain 7.00,Constrain 3.85字样(见Figure 4)。说明这两个场点被约束,需要在搜索的过程中被尽量匹配。

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Figure 4. 添加场约束

点击Finish按钮,进入下一步。

11. 选择数据库,开始虚拟筛选

点击Finish按钮后,弹出Spark Search对话框,我们选择合适的数据库即可,具体参照2017年6月15日的《SPARK教程 | SPARK替换结晶水分子》。我的设置如下Figure 5:

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Figure 5. 数据库选择

步骤6-11视频演示

结果分析

详见2017年6月15日的《SPARK教程 | SPARK替换结晶水分子》

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