摘要:本文试图为Kuhn 等人(2019)总结的蛋白-配体相互作用模式提供PDB算例,并用基于结构的软件Flare Viewer准备好,以便可以用故事板(Story board)的方式对各种相互作用模式进行3D可视化分析、浏览、编辑、注释,方便大家进一步了解这些相互作用。

肖高铿/2021-05-09

1. 前言

本文试图为Kuhn 等人(2019)总结的显著高频非经典蛋白-配体相互作用模式提供PDB算例,并用免费的图形化软件Flare viewer准备好,以便可以用故事板(Story board)的方式对各种相互作用方式进行3D可视化分析、浏览、编辑、注释,方便大家进一步了解这些相互作用。本文重点关注一个原子或基团变化而引起活性巨大变化的应用案例,这需要大量的时间进行准备,所以本文的更新将是漫长的过程。

在Kuhn等人的视线法中,需要用到bondi原子半径来计算接触的距离。假设原子半径为rL的配体原子L与原子半径为rP蛋白原子P之间的距离为d,若满足如下方程(1)的关系:

(1)   不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

则认为配体原子L与蛋白原子P之间具有接触。其中,x为增量0.5。半径可参考Manjeera(2019)等人的文章,这里做成一个字典方便使用。

1
2
3
4
5
6
7
radius = {
'H':1.10,                                                                       'He':1.40,
'Li':1.81,  'Be':1.53,  'B':1.92,  'C':1.70,  'N':1.55,  'O':1.52,  'F':1.47,   'Ne':1.54,
'Na':2.27,  'Mg':1.73,  'Al':1.84, 'Si':2.10, 'P':1.80,  'S':1.80,  'Cl':1.75,  'Ar':1.88,
'K':2.75,   'Ca':2.31,  'Ga':1.87, 'Ge':2.11, 'As':1.85, 'Se':1.90, 'Br':1.83,  'Kr':2.02,
'Rb':3.03,  'Sr':2.49,  'In':1.93, 'Sn':2.17, 'Sb':2.06, 'Te':2.06, 'I'1.98'Xe':2.16
}

Flare viwer提供了pick功能,可以方便找到与特定配体原子接触的蛋白原子,并进行角度与距离测量,具体操作过程参见博文在基于结构的设计中用Flare Viewer来提高视觉分析的效率

2. 芳香碳键连的氯与蛋白受体相互作用

2.1 Cl...C_ali_apol相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 1. Cl...C_ali_apol相互作用, PDB 6A7P.相互作用的原子用球表示

找到一个纯粹通过疏水相互作用而提高活性的例子很难,但可以找到主要通过疏水相互作用为主的例子(见视频1),Sakurama(2019)等人[1]的研究就提供了非常好的应用算例。如图2所示,比起Deschloro-ARP,ARP(Aripiprazole,PDB 6A7P的共晶配体)在苯环上多了两个氯因而有更多的Cl...C_ali_apo相互作用,从而与人血白蛋白结合亲和力提高了50倍。

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 2. 比起Deschloro-ARP,ARP(Aripiprazole)在苯环上多了两个氯因而有更多的Cl...C_ali_apo相互作用,与人血白蛋白结合亲和力提高了50倍

如视频1所示,除了Cl...C_ali_apol相互作用之外,Cl还与极性的C-H以及C=O接触,因此很难结合亲和力的提高很难归结为单一的疏水相互作用贡献。

视屏1. PDB 6A7P的两个Cl,不仅有Cl...C_ali_apol相互作用, 而且还有Cl...C=O与Cl..C-H(polar)相互作用

分子对接的打分函数对这种相互作用估计不足。比如用AutoDock Vina 1.20在score only模式下预测化合物Deschloro-ARP与ARP的结合亲和力,计算的Ki分别为-9.831与-10.611kcal/mol。这个微小的差异几乎可以忽略不计,预测值不能解释化合物的结合亲和力差异,因此可视化检查相互作用是非常重要的。

也存在典型的反例:倾向性显著的相互作用越多,并不一定导致活性越强。分析Douglas等人[2]的Dihydroorotate dehydrogenase抑制剂数据(图3)发现,虽然Cl取代化合物(R=Cl,Ki=20nM)具有最多的Cl...C_ali_apol相互作用:与VAL134、VAL143、ILE360的侧链-CH3紧密接触,还与PRO52的-CH2-紧密接触,Cl处于典型的疏水环境中,但是比未取代的化合物(R=H,Ki=1.7nM)的结合亲和力却意外地降低了17倍。

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

图3. 左边:三个同系物对Dihydroorotate dehydrogenase抑制剂的结构及其Ki;右边:R=Cl化合物预测的结合模式

其中图3的结合模式为预测得到:从PDB 1UUO出发,将对应原子替换为所需的原子、然后对替换后的原子进行力场优化,获得R=H,F,Cl化合物的结合模式用于相互作用分析。

2.2 Cl...C_ali_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 2. Cl...C_ali_don相互作用, PDB 1UUM

2.2 Cl...C_pi_carbonyl相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 3. Cl...C_pi_carbonyl相互作用, PDB 5IA3

2.3 Cl...C_pi_phenyl相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 4. Cl...C_pi_phenyl相互作用, PDB 3Q3K

2.4 Cl...C_pi_pos相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 5. Cl...C_pi_pos相互作用, PDB 2AMV

2.5 Cl...N_pi_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 6. Cl...N_pi_don相互作用, PDB 2C1B

2.6 Cl...O_pi_acc相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 7. Cl...O_pi_acc相互作用, PDB 3UNK

3. 芳香碳键连的氟与蛋白受体相互作用

3.1 F...C_ali_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 8. F...C_ali_don相互作用, PDB 1OYT

Olsen等人(2003)对Thrombin进行的氟扫描研究是C-F⋅⋅⋅C=O相互作用的强有力证据。分析抑制剂与Thrombin的复合物结构(PDB 1OYT)可知:苯环4位的氟与ANS98有非常紧密的接触,发生了C-F⋅⋅⋅H-C与C-F⋅⋅⋅C=O相互作用,它们的F⋅⋅⋅C距离分别为3.5与3.2 Å,详见图8与10。

在分子设计中引入这类相互作用,可以显著提高化合物的活性。在Thrombin抑制剂的算例中,使得化合物活性提高5.4倍(图9):F-取代前后的化合物的Ki值分别为310nM与57nM。

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 9.Thrombin抑制剂苯环4-位的氟化使得活性提高了5.4倍

与2.1的算例类似,分子对接方法也不能充分估计C-F⋅⋅⋅C=O相互作用。用AutoDock Vina 1.20在score only模式下预测化合物F原子去除前后的结合亲和力,计算的Ki分别为-10.287与-10.056kcal/mol。F原子的去除与否几乎对Ki的预测值没有影响,预测值不能解释化合物的结合亲和力差异。再一次,对这相互作用的可视化检查不能用分子对接计算所代替。

3.2 F...C_pi_carbonyl相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 9. F...C_pi_carbonyl相互作用, PDB 1OYT

3.3 F...C_pi_pos相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 10. F...C_pi_pos相互作用, PDB 1HWK

3.4 F...N_pi_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 11. F...N_pi_don相互作用, PDB 5Q14

4. 腈基与蛋白受体相互作用

4.1 CN...C_ali_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 12. CN...C_ali_don相互作用, PDB 2I0Y

4.2 CN...N_pi_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 13. CN...N_pi_don相互作用, PDB 3CCC

4.3 CN...N_pi_don_pos相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 14. CN...N_pi_don_pos相互作用, PDB 1LD7

5. 磺酰基氧与蛋白受体相互作用

5.1 SO2...N_don_pos相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 15. SO2...N_don_pos相互作用, PDB 5UER

5.2 SO2...C_ali_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 16. SO2...C_ali_don相互作用, PDB 2FRA

5.3 SO2...C_pi_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 17. SO2...C_pi_don相互作用, PDB 5TTD

5.4 SO2...N_pi_don相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 18. SO2...N_pi_don相互作用, PDB 1KE7

5.5 SO2...N_pi_don_pos相互作用算例

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 19. SO2...N_pi_don_pos相互作用, PDB 6BBV

6. 芳香硫原子与蛋白受体相互作用

不同寻常的蛋白配体相互作用-PDB可视化算例-墨灵格的博客

Figure 20. S...C_pi_carbonyl以及S...C_ali_don相互作用, PDB 2JH0

文献

  1. Sakurama, K.; Nishi, K.; Imoto, S.; Hashimoto, M.; Komatsu, T.; Morita, Y.; Taguchi, K.; Otagiri, M.; Yamasaki, K. Further Evidence Regarding the Important Role of Chlorine Atoms of Aripiprazole on Binding to the Site II Area of Human Albumin. J. Pharm. Sci. 2019, 108 (5), 1890–1895. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2018.11.045.
  2. Batt, D. G.; Copeland, R. A.; Dowling, R. L.; Gardner, T. L.; Jones, E. A.; Orwat, M. J.; Pinto, D. J.; Pitts, W. J.; Magolda, R. L.; Jaffee, B. D. Immunosuppressive Structure-Activity Relationships of Brequinar and Related Cinchoninic Acid Derivatives. Bioorganic Med. Chem. Lett. 1995, 5 (14), 1549–1554. https://doi.org/10.1016/0960-894X(95)00252-O.
  3. Olsen, J. A.; Banner, D. W.; Seiler, P.; Obst Sander, U.; D’Arcy, A.; Stihle, M.; Müller, K.; Diederich, F. A Fluorine Scan of Thrombin Inhibitors to Map the Fluorophilicity/Fluorophobicity of an Enzyme Active Site: Evidence for C-F⋅⋅⋅C=O Interactions. Angew. Chemie Int. Ed. 2003, 42 (22), 2507–2511. https://doi.org/10.1002/anie.200351268

索要Flare Viewer的Story Board

首先您需要下载一个免费的Flare Viewer才能浏览已经准备好的相互作用分析。下载Story board,请联系我们。