Flare™ FEP——模拟电荷变化以及更新的分析功能

摘要：Flare V9的一个更新是Flare™ FEP支持在同一计算中处理不同电荷状态的配体。本文以TYK2数据集的FEP计算为例，演示了配体之间电荷变化的模拟，并演示了Flare FEP的分析功能。该数据集包括18个配体，使用PME方法处理静电，并通过自定义参数和GCNCMC水采样优化模拟。结果表明R² = 0.80，MUE = 0.45 kcal/mol，这对于具有混合电荷的数据集来说，已经是很高的准确度。Flare FEP提供了多种的分析工具，如误差分析和扭转角图，帮助用户识别和优化微扰计算。此外，相互作用分析工具可以查看蛋白与配体间的相互作用，寻找配体之间相互作用的差异，或者用来确定哪些相互作用在整个模拟过程中一直保持一致。

作者：Lauren Nelson/2024-08-27
编译：肖高铿

Flare™ FEP的一个重大改进是能够在同一FEP图中对具有不同电荷状态的配体进行计算。本文介绍一个FEP计算的结果，该结果演示了TYK2数据集中配体之间的电荷变化，并重点介绍了Flare V9中最新的分析功能。

图1. 含18个配体的TYK2数据集¹的Flare FEP图，高亮显示的部分包含了配体32及其电荷变化

在仔细准备体系之后，数据集包含了18个配体（图1），其中包括配体32，一个带羧基负电荷的化合物（图 2）。为了执行电荷变化的FEP计算，将一个水分子转化为离子以保持整个系统的电荷中性。水分子会被转化为钠离子（如果配体的电荷变化为-1）或氯离子（如果配体的电荷变化为+1）。我们使用Particle-Mesh-Ewald(PME)非键方法处理静电相互作用，它比反应场更先进，并且更准确地处理短程和长程静电相互作用。

图2. TYK2数据集¹的配体32，具有一个带电荷的羧基阴离子

Flare FEP ΔQ结果及分析功能

该18个配体的基准验证研究总共进行了54次微扰。我们使用了以下参数以优化结果：自定义参数（配体扭转角）、更长的平衡时间（1500 ps）、在平衡阶段应用大正则非平衡候选蒙特卡罗 (GCNCMC) 水采样²，将溶剂离子强度设置为0.150M，并利用Flare FEP的新功能，该功能允许在带电配体和中性配体之间调整模拟长度，其默认设置如图3所示。带电配体需要更长的模拟时间，因为研究表明电荷微扰需要更广泛的采样才能使自由能收敛。此功能还允许您独立地延长任一游离、结合态模拟的长度。例如，如果您正在研究具有几个可旋转键的高柔性配体，则可能需要在游离状态下运行更长时间，以允许配体遍历不同的构象。另一方面，在结合态下，该配体可能会相对刚性，因为它受到结合位点内相互作用的限制，因此默认的结合态模拟长度选项可能就足够了。

图3. Flare FEP计算的选项，红色方框部分的选项可将带电配体和中性配体的模拟时长分开单独设置。

使用这些设置，在活性图（Activity Plot）中可以看到统计数据，结果表明R² = 0.80，MUE = 0.45 kcal/mol；对于具有混合电荷的数据集来说，这是一个很高的准确度。Flare V9的一个新功能是我们可以调查每个链接对基准图整体误差的贡献（图 4），每个链接着色为红色、灰色或蓝色，分别表示高、平均或低误差贡献。这允许用户查看哪些链接对总体误差贡献大，从而提供机会来调查并添加实例以微调这些微绕计算。在这个例子中，我们可以改变lambda窗口的数量、增加模拟长度、和/或删除具有高滞后的冗余链接。通过向个别微扰链接添加实例，我们可以保留初始结果进行比较，而不是覆盖和丢失之前的计算。

图4. Flare FEP的误差分析工具（红色方框突出显示）着色的基准图。每个链接着色为红色、蓝色或灰色之一，其中红色表示较高误差，灰色表示平均误差，蓝色表示较低误差。

另一个工具是扭转角图（Torsion Plot），它使得我们可以探索整个FEP模拟过程中可旋转键的扭转角。我们可以使用它来识别起始分子和最终分子之间发生的构象变化。如图5所示，当选择配体32和30之间的链接时，我们可以比较所选配体的各种扭转角。例如，我们观察到扭转角C12-N2-C10-N1（图 5中高亮显示）在配体32的游离态和结合态中都具有相似的扭转图（右侧图形）。但是，配体30相同的扭转角在游离态下有更大的旋转自由度（蓝色曲线，左侧图形）。这样的功能提供了关于数据集内可旋转键的清晰分析，以及不同的官能团如何影响扭转角旋转。比较每个微扰游离态和结合态的lambda 0和1部分的扭转角，可以很有洞察力地帮助确定是否有不同的构象空间，或者研究是否需要自定义扭转角参数。

图5. 扭转角图分析面板。提供了计算过程中建模的扭转角分布，并比较选定微扰配体之间的差异。在这里，我们重点介绍了腈基（配体30-左图）和带电羧基（配体32-右图）之间的微扰。

我们要展示的最后一个分析工具是相互作用分析（contact analysis）。当选择一个链接时，我们现在可以查看蛋白与参与微扰的每个配体原子之间形成的相互作用。例如，在图6中，我们可以看到当λ=0.0时，在所有lambda窗口模拟过程中最常出现的相互作用是蛋白VAL94与配体的N1或H9之间的氢键相互作用。我们可以分别分析每个lambda窗口，寻找配体之间相互作用的差异，或者作为一个群体来确定哪些相互作用在整个模拟过程中一直保持一致。

图6.Flare FEP的相互作用分析，显示了在整个lambda窗口中蛋白与所选FEP图链接的两个配体之间形成的相互作用。

想了解更多关于Flare V9的功能，请查阅我们最近的文章和网络研讨会。

文献

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
O. J. Melling et al. Enhanced Grand Canonical Sampling of Occluded Water Sites Using Nonequilibrium Candidate Monte Carlo, J. Chem. Theory Comput., 2023, 19, 1050-1062