自由能微扰（FEP）方法适用于您的项目吗？

摘要：要想FEP项目取得最佳的成功机会，需要满足许多关键的数据要求，在本文中，我们概述了运行FEP计算的理想起点。然而，在无法获得这种水平数据的情况下，我们的团队可以与您合作，评估FEP或其他计算技术是否更合适。凭借我们对自由能理论和方法实现的深度了解，Cresset Discovery将为您制定出加速您项目的最佳方法。

作者：Sílvia Illa Tuset/22 November 2023
编译：肖高铿/2023-12-06

自由能微扰（Free Energy Perturbation ，FEP）是药物发现领域一个快速发展的技术，Cresset Discovery的专业建模专家团队建立一个快速成功完成FEP项目的系列技术组合。要想FEP项目取得最佳的成功机会，需要满足许多关键的数据要求，在本文中，我们概述了运行FEP计算的理想起点。然而，在无法获得这种水平数据的情况下，我们的团队可以与您合作，评估FEP或其他计算技术是否更合适。凭借我们对自由能理论和方法实现的深度了解，Cresset Discovery将为您制定出加速您项目的最佳方法。

高效FEP计算的三项理想数据要求可概括为：

具有相关配体的高质量晶体结构
验证用的配体数据集的数量和质量
生成用于预测的适当配体集合

本文详细描述了FEP计算的要求和最佳实践。

获得高质量的晶体结构

为了有效地实施FEP，理想的是能够获得已知配体的高质量共晶结构，并与数据集中的配体相关，以了解结合模式下的相互作用。在所有相关的FEP计算中，至关重要的是配体的结合模式在蛋白结构中得到明确地定义。虽然分辨率低于2.2 Å的晶体结构是理想的，但还必须评估配体占据率、未解析的侧链和结构的整体质量。

图1. 相同靶标的高（绿色表面）、低（红色表面）电子密度图的蛋白质结构示例。（A）来自肌红蛋白的原卟啉配体（PDB ID：1A6M），1.0 Å分辨率。（B）来自血红蛋白的原卟啉配体（PDB ID：1S0H），3.0 Å分辨率。图像由Flare™v7生成。

与所有基于结构的技术一样，在预测一组配体的活性时，结合模式在FEP计算中起着至关重要的作用。用已知配体的结合模式作为参考，与新型配体结合模式进行比较。

检查电子密度、观察一个分辨良好且已知配体的结合模式有助于为您的FEP计算选择输入参数。图1中提供的示例说明了这种分析，并说明在这种情况下，从确信的配体结合事件角度讲，选用PDB 1A6M（图1A）是更好的选择。

验证配体数据的充分性

与其他计算方法一样，FEP需要验证，这有赖于所研究体系实验测量的配体数据集。这个验证阶段，也称为基准模式（Benchmark mode），是对FEP的初步测试，以确定预测值与实验值的匹配程度。如果匹配良好，这给予FEP设置和建模信心，因此值得进入基于无实验测量的预测“生产模式”（Production mode）。基准测试中使用的配体数据通常来自以下类型的实验数据：

XC₅₀：半数活性浓度
K_i：抑制常数
K_d：解离常数

对配体数据集多样性和可靠性的严格评估是FEP计算验证的核心，即基准测试数据的质量。最好有一个涵盖较宽结合亲和力范围的配体数据集，包括了较弱和较强亲和力的配体，以捕捉广谱的配体-蛋白相互作用并充分验证FEP的预测能力。基准测试验证表明，FEP计算可以取得的精度为预测亲和力值是实验亲和力的±1 kcal/mol。注意，在基准测试研究的分析中，分析实验数据的可靠性是非常值得去做的事，并且在理想情况下，如果可能的话，最好使用单一来源的实验数据以避免由于条件变化而导致实验结果的大量不确定性。

有合适的配体用于预测

主要基于基准测试研究的结果，FEP项目可以进入到生产模式：该模型已准备好根据新的分子设计进行预测。与基准测试一样，在进行生产模式计算时，必须评估用于FEP计算的配体的多样性和适用性。考虑到上述假设，测试一组结构上非常不同的新配体在相对FEP中效果不佳。

必须评估参比配体和预测配体之间的结构相似性，以确定它们是否共享关键的结构特征、具有公共子结构和一致的结合模式。适当的相似性可以确保FEP计算为感兴趣的配体提供有意义和可靠的预测。图2提供了这种分析的示例。

图2. 在FEP计算中允许的炼金术变化示例，图片用Flare生成。

图2显示了通过各种转换将配体连接起来的FEP图。每个链接都有一个“分数”，范围从0（不相似）到1（完全相同），由此可以指示微扰的难易程度；链接分数（通常大于0.4）越高表明链接（转换）更有可能成功计算。就为生产模式建立FEP计算并对新的配体数据集进行成功预测而言，重要的是检查你是否有一个具有良好（大于0.4）链接分数的链接网络。非常低的链接分数表示数据集的结构多样性太大了。Cresset Discovery科学家拥有专业知识和经验，可以指导您创建合适的数据集。

决定FEP是否适用于您的项目

为您项目实施FEP计算的可行性取决于几个关键因素。具有高质量相关配体的晶体结构、明确定义的结合模式以及用于验证的足够配体数据是准确、可靠的FEP计算的关键要素。然而，即使在缺乏某些信息的情况下，FEP的成功仍然可以实现。

用于预测的配体与参比配体以及一系列结合亲和力已知的配体具有结构相似性，可以提高FEP预测的有效性和适用性。当满足这些配体要求时，通常可以通过基准测试研究来初步评估靶标对FEP的适应性。仔细地评估和考察基准测试可以指导决策，即FEP是否可以在生产运行（或预测模式）中有效地用于支持项目的目标，还是说应该探索其他的方法。

在无法完全满足FEP要求的情况下，可以考虑使用基于配体的方法、生物等排体替换和从头设计等替代方法。Cresset的专业知识可以帮助您评估您的项目对FEP的适用性。

对P2Y1配体的基准测试研究证明了Cresset方法学可以成功地应用FEP。该研究精确计算了30个配体数据集的结合亲和力，这些配体结合于P2Y1的脂质和GPCR界面之间。在这项研究中，预测的结合亲和力与实验测量值一致，并且与文献中发表的数据相符或更好。在此基础上，FEP模型可以自信地向前发展，并用于测试和预测新的设计。