摘要：本文是对黄牛老师课题组水分子的卤键替换策略的实践，重现了论文中的AK算例：从复合物晶体结构(PDB code: 1LII)出发，用Ligandscout将1092号水分子作为卤键供体生成药效团模型，并进行虚拟筛选。结果发现，虚拟筛选可以将活性分别提高了34、212倍的氯、碘取代的抑制剂命中。这说明了LigandScout可以非常便利实践水分子的卤键替换策略，丰富了先导化合物优化策略。
作者：肖高铿/2019-08-08
用Ligandscout来模拟卤键
本文是对黄牛老师课题组水分子的卤键替换策略[1]的实践，重现了论文中的AK算例。以该文AK抑制剂为例，从复合物晶体结构(PDB code: 1LII)出发，用Ligandscout将1092号水分子作为卤键供体生成药效团模型，并进行虚拟筛选。
Figure 1. AK抑制剂算例：水分子的卤素替换提高了化合物的结合亲和力
下面的视频演示如何用Ligandscout将水分子移到配体一边，并创建卤键药效团元素。同时，将表征糖片段相互作用的feature设为option进行虚拟筛选：目的是富集满足药效团要求、代替原有的母核（Figure 2高亮部分）与蛋白发生卤键相互作用的(片段)分子。
视频1: 演示了如何用Ligandscout的创建一个卤键的药效团元素进行虚拟筛选。注意：出于演示的目的，虚拟筛选用的数据库仅包含3个图1的化合物。
结果发现，虚拟筛选可以将活性分别提高了34、212倍的氯、碘取代的抑制剂命中。这说明了LigandScout可以非常便利实践水分子的卤键替换策略，丰富了先导化合物优化策略。
进行片段虚拟筛选与从头设计
上一步获得的药效团模型可以用来虚拟筛选片段库，以期望发现可以替换Figure 2高亮片段的化合物。
Figure 2. AK抑制剂结构(PDB: 1LII), 被替换的部分用高亮显示
片段库可以来源自ZINC等数据库，也可以来源自深度学习的de novo生成，比如前文《深度学习分子片段生成器及其在药物设计中应用》生成的片段库。在这个例子里，我们就是对深度学习生成的片段库进行虚拟筛选，部分结果如下视频2所示。
视频2: 演示了如何用Ligandscout对深度学习生成片段的虚拟筛选结果，可以看到这些片段与药效团非常匹配，都可以与蛋白发生卤键相互作用，并可用来替换原有的片段。
视频展示了部分片段替换过的化合物，部分结构看上去很合理或者仅需简单修改就可以得到合理的结构。比如Figure 3化合物是根据虚拟筛选命中的片段移植获后全新生成的化合物。该新片段与原型片段的骨架相似（见Figure 3深黄色高亮部分）但不相同。该化合物（1）看上去不错，出现了与蛋白发生卤键相互作用的-Cl；（2）-SCH3基团（见Figure 3亮黄色高亮部分）看上去多余，可以手工删除；（3）片段的N+结构看上去不合理，可以简单地进行修改。
Figure 3. 一个值得进行“修改”的化合物：高亮部分为虚拟筛选命中片段移植过来，与Figure 2的原型化合物比结构不同。其中，亮黄色部分的-Cl是与蛋白发生卤键相互作用，-SCH3则可以进一步进行修饰，比如删除掉；N+原子可以修改为C。
Figure 4对比了1LII晶体结构中的原型化合物（左）、新化合物（中）以及一个已知的卤素取代化合物（右）。观察新化合物，很容易提示我们将N修改为电中性的C：这就获得了右边那个已知AK抑制剂的衍生物。
Figure 4. 左：1LII的原型化合物与被卤键替换的水分子；中：药效团虚拟筛选深度学习片段库进行基团替换后的化合物；右：一个已知的可以与蛋白发生卤键相互作用的化合物
除了能够获得已知的化合物结构类型之外，还能提供许多新颖的化学结构类型。比如Figure 5所示化合物：该化合物不仅结构类型新颖，而且在形状与化学特征上与蛋白结合位点匹配。
Figure 5. 新的结构类型
总的来说，对片段的虚拟筛选可以帮助识别与蛋白发生卤键相互作用的新片段；将该新片段替换原有的片段，不仅可以重现已知的卤键相互作用化合物，还可以获得全新、有创意的结构。
总结
得益于Ligandscout的卤键相互作用模拟能力，利用LigandScout的药效团工具可以模拟卤键相互作用，实现水分子的卤键替换虚拟筛选:不仅可以富集具有卤键相互作用的已知抑制剂；还可以通过片段筛选、移植生成全新的具有卤键相互作用的化合物。
补充：用Flare手工进行水分子的卤键替换
Flare是一款先进的基于结构药物设计软件，可以分析卤键相互作用。下面视频以AK抑制剂为例，演示了如何用Flare进行水分子的卤键替换计算实验，内容包括：
- 干蛋白的准备
- 准备配体结构、观察相互作用
- 准备卤素取代的配体结构、观察相互作用
复制一个蛋白结构，将水去除，保存为1LII_DRY, 表示这个蛋白结构的口袋是干的（因为水分子被去除，模拟水被替换后的效果）
复制一个配体，将N原子替换为C，设置名称为A ADN 699 (H)，并将其关联蛋白设置为1ILL_DRY(这么设置是因为我们要考察替换水后的卤键相互作用)；并分析其与蛋白表面的静电互补性，发现刚才N2C替换的区域是红色的，说明配体的该部分与蛋白在静电上不互补。
复制上一步的配体，将H原子替换为Cl，设置名称为A ADN 699 (Cl)；将关联蛋白设置为干蛋白、并分析其与蛋白表面的静电互补性，发现刚才H2Cl替换的区域是绿色的：说明配体的该部分与蛋白在静电是互补的，替换之后提高了配体与蛋白在静电的互补性。
同样的道理，可以准备Br与I取代配体, 设置名称为A ADN 699 (Br)；将关联蛋白设置为干蛋白、并分析其与蛋白表面的静电互补性，发现刚才H2Br替换的区域是绿色的：说明配体的该部分与蛋白在静电是互补的，替换之后提高了配体与蛋白在静电的互补性。
同时，还可以观察到，Cl与Br与蛋白的氧原子之间有紫色的虚线，该虚线表示卤键相互作用。
需要注意的是：视频并没有照文章提到的先预测水分子的位置，请自行用Flare的3D-RISM进行水分子的位置与稳定性计算；并非卤键一定能提高化合物的活性。
文献
- Wang, Y.; Fu, Q.; Zhou, Y.; Du, Y.; Huang, N. Replacement of Protein Binding-Site Waters Contributes to Favorable Halogen Bond Interactions. J. Chem. Inf. Model. 2019, 59 (7), 3136–3143. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.9b00128.
