Flare™中的动力学——当模拟带电配体时离子强度的重要性

摘要：设置盐浓度以使得结合测定的实验条件与分子动力学（MD）或自由能微扰（FEP）模型相匹配，可以显著提高模拟的准确性，特别是对于带电配体，可以改进结合亲和力的预测。本文以FEP准测试基集的TYK2数据集带有四氮唑基团的配体33为例，使用三种不同的方式运行10ns的MD：在溶液中，在设定为“仅中和”的复合物中，以及在离子强度为150mM的复合物中。结果表明，当使用“仅中和”时四氮唑环在结合位点不太稳定；当离子强度设定为150mM时，带电的四氮唑环显著地更稳定。总的来说，在本研究中，我们证明了模拟测定条件离子强度的重要性，特别是当配体带电荷时。

作者：Lauren Nelson/2024-05-22
编译：肖高铿

设置盐浓度以使得结合测定的实验条件与分子动力学（Molecular Dynamics，MD）或自由能微扰（Free Energy Perturbation，FEP）模型相匹配，可以显著提高模拟的准确性¹。特别是对于带电配体，可以改进结合亲和力的预测。Cresset最近的工作集中在FEP计算中配体电荷变化的转换，这已在Flare V8中实现，特别是考虑到TYK2数据集²。该数据集包含两个带负电荷的配体：一个带有羧基（配体“32”），另一个带有四氮唑基团（配体“33”），见图1，与其它电中性的配体一起构成数据集。本文将重点关注配体33的分子动力学（MD）研究。

图1. TYK2数据集²中的两个带电配体：带有羧基的配体32（左）和带有四氮唑的配体33（右）

带电配体的分子动力学模拟

在本文中，我们研究了与简单的中和体系（不添加盐浓度）相比，将离子强度（即NaCl盐浓度）设定为150mM对配体33的动力学影响。在“Dynamics calculation”控制面板的“More options”中，有用于高级设置的选项，如图2所示。一种选择是“仅中和（Just neutralize）”体系的默认选项，而另一种选择允许手动调整。在这种情况下，将之设置为150mM以更好地模拟测定条件³。该体系的动力学实验使用三种不同的方式运行10ns：在溶液中，在设定为“仅中和”的复合物中，以及在离子强度为150mM的复合物中。

图2. Flare的分子动力学选项，特别突出了溶剂离子强度

Flare的MD分析

当动力学运行完成时，会显示一条MD轨迹，提供了一种简单的方法来可视化模拟中各种成分的RMSD。检查配体RMSD是一种可靠的方法，可以确保所讨论的配体在复合物中是稳定的，并且按预期执行，特别是在准备FEP计算时。例如，RMSD值的大幅或突然变化，表明与初始配体帧的高度偏离，可能意味着配体发生了巨大移动，甚至可能与结合位点分离。在这种情况下，如图3所示，将配体33的“仅中和”体系与离子强度设置为150mM体系的RMSD进行比较，我们可以识别出四氮唑环在模拟中发生翻转的帧。

图3. 配体重原子RMSD的示意图，描述了配体33的两个10ns动力学计算：离子强度设置为“仅中和”（蓝色）和150mM（橙色）

除了RMSD之外，Flare的动力学分析还提供了配体与附近残基（包括水分子）之间发生接触次数的分解。专注于蛋白质-配体复合物的两个MD模拟，识别出配体33和ARG13之间的关键结合相互作用。通过比较四氮唑环和ARG13之间的接触，结果表明，与使用“Just neutralize”时产生的相互作用相比，尽管当施加150mM的离子强度时发生的相互作用数量较少，但这些相互作用更加稳定，因为它们在MD帧中占有更高的百分比。这种行为可见表1的A和B部分所示。

表1. 在10ns动力学模拟期间配体33的四唑氮与ARG13蛋白残基之间出现氢键和盐桥相互作用的帧数百分比，其中（A）为“仅中和”体系，（B）为150mM离子强度体系。

(A) "Just neutralize"体系

(B) 150mM离子强度体系

为了进一步探索配体RMSD的差异和接触次数的减少，我们在3D视图中分析了轨迹输出。我们可以使用配体RMSD图来识别四氮唑环可能发生翻转的帧。从表1中可以看出，四氮唑N5、N6与ARG13之间的相互作用最为突出，因此在复合物MD模拟开始时，如图4所示，测量了两个体系这两个点之间的距离。

图4. 在（A）“Just neutralize”和（B）150mM离子强度模拟中，在0、2、8和10ns处测量了四氮唑N5、N6与ARG13残基之间距离

通过研究在两个模拟过程中蛋白质-配体的测量结果，我们能够证明与离子强度设定为150mM体系相比，在"仅中和"体系的MD模拟过程中，四氮唑环的稳定性较差。这是显而易见的，因为在3D视窗内观察到四氮唑环翻转的增加，，从而与环另一侧的N4和N3（表1，A）产生更多不同的接触。

图5. 在三个MD模拟中测量扭转角（C14-C15-C16-N6）以进行比较。

最后，为了进一步证明当使用“仅中和”时四氮唑环在结合位点不太稳定，考察了图5中高亮显示的扭转角（C14-C15-C16-N6）。为了进行比较，对溶液中的配体进行了一个10ns的动力学模拟。绘图，如图6所示，再次明显的是，当离子强度设定为150mM时，带电的四氮唑环显著地更稳定，因为扭转角在144-180°之间的分布比任何其他角度显著地多。相比之下，当使用“仅中和”时，观察到的扭转角变化较大，与配体33在溶液中时没有什么不同。

图6. 棒图描绘了配体33的四氮唑环在三个MD模拟中的扭转角（C14-C15-C16-N6）分布。深蓝色：“仅中和”，橙色：150mM离子强度，浅蓝色：溶液中的配体。

总的来说，在本研究中，我们证明了模拟测定条件离子强度的重要性，特别是当配体带电荷时，同时Flare提供了许多的分子动力学分析工具可供分析使用。

有关Flare分子动力学环境、工作流和分析工具的可视化演示，请索取观看我们的网络研讨会录像。

参考文献

W. Chen et al. Accurate Calculation of Relative Binding Free Energies between Ligands with Different Net Charges. J. Chem. Theory Comput. 2018, 14, 6346-6358
J. Liang et al. Lead Optimization of a 4‑Aminopyridine Benzamide Scaffold To Identify Potent, Selective, and Orally Bioavailable TYK2 Inhibitors. J. Med. Chem. 2013, 56, 4521−4536
R. E. Farrell Jr. RNA and the Cellular Biochemistry Revisited. RNA Methodologies, 3rd edition. 2005, 1-16. Academic Press