结构生物信息学系列之分子对接（一）

随着第一个蛋白晶体结构被解析出来，人们开始意识到一种“合理”的药物设计方法，即将小分子化合物对接到蛋白靶标上来模拟天然分子识别的过程，并对结果进行排序。从上世纪80年代第一个分子对接软件DOCK问世以来，分子对接（molecular docking）方法不断发展，利用对接来探究小分子与蛋白的结合口袋（binding site）之间的相互作用，已经成为药物设计中非常流行的一种模拟方法，也是常用的虚拟筛选（virtual screening）策略。这一期，我们先来介绍分子对接的基本理论。

 

对于蛋白结合位点的了解能大大提高对接效率。一般来说，结合位点是事先指定的，可以是蛋白-小分子复合物晶体结构中小分子的位点，如下图；也可以是通过计算方法预测的口袋，预测口袋的软件有很多，比如Fpocket（http://fpocket./），POCASA（http://altair.sci./g6/Research/POCASA_e.html）等。如果没有指定口袋，这样的对接方式叫做盲对接（blind docking），对接的准确性无法保证。

 

对接可以分为两个部分，即采样（sampling）和打分（scoring）。采样包括小分子三维构象的采样和小分子在结合位点的构象（conformation）和方向（orientation）的采样。由于小分子的可旋转键是有限的，理论上对于一个小分子二维结构，我们可以找出其所有的可能的构象，但是这样太消耗计算资源（10个可旋转键的分子有超过59000个构象），所以构象采样就是需要找出位于小分子势能表面极小值点（低能）的构象，如下图。在重复晶体结构中小分子结合构象方面，许多开源软件（RDKit，Frog2，Confab）等软件的性能已经几乎与商业软件相当。

 

如何确定小分子在口袋的结合模式（binding pose）是分子对接的关键。在早期，研究人员基于口袋形状和化学性质来把配体分子映射到口袋，这种方法称为匹配算法（matching algorithm）。在这个方法中，小分子和蛋白都被视作药效团（pharmacophore），根据药效团和小分子之间的距离矩阵来确定构象。这种方法的优势是速度快，因此能用于筛选大的化合物库。还有一种是被称为渐进式建模的方法，在对接前小分子被分割成多个片段（fragment），将其中一个的片段首先放入口袋中，该片段往往起到稳定整个分子的作用，然后不断添加剩下的片段来生长成配体分子，如下图所示。其他的方法还包括随机采样，代表性的是蒙特卡洛模拟和遗传算法（genetic algorithm），其中遗传算法受达尔文进化论的启发，配体的自由度被编码成二进制序列来表示基因，基因组成染色体来代表配体的构象，通过基因的突变和互换来生成新的构象，最后通过打分函数来评价。最后，还有一种是基于分子动力学（molecular dynamics）的方法，它可以对蛋白和配体结构进行在一个时间尺度上进行采样，该方法可以充分考虑配体的柔性，但有时很难跨过构象壁垒易而陷入局部最小，这种方法也叫做集成对接（ensemble docking）。

 

打分函数（scoring function）是分子对接中的另一个关键，好的打分函数能区分正确的配体结合模式和错误的结合模式，或者是阳性化合物和阴性化合物。一般来说，打分函数可以分为基于力场的和基于经验和知识的。基于力场的打分函数会综合考虑非键相互作用，包括静电作用和范德华力，以及溶剂化和熵变的贡献，然后计算这些贡献的总和来预测结合能。打分后的构象还可以通过自由能扰动（free energy perturbation）来进行优化，来提高精度。还有一种方法是基于经验的，它把结合能分成多个能量项，比如氢键，离子键，疏水作用和熵效应，给每一个能量项乘上一个系数，最后计算总和来给出最终打分，如下图所示。系数可以通过对一组蛋白-配体复合物以及它们的实验确定的结合能进行回归分析得到。基于知识的打分函数是对复合物晶体进行统计分析，来获取蛋白配体原子间作用的频率和距离，因为某个相互作用越重要那么它出现的频率就越多。这些频率的分布会转换成原子间势能。最后的打分会将一些重要的作用加分，而惩罚一些排斥性的作用。一致性打分（consensus scoring function）是近些年开始流行的一类打分函数，也就是综合各种分数来评估对接模式，该种方法可以大大提高虚拟筛选中阳性化合物的富集率。但如果各打分函数中有高度相关的项，该方法可能就不太实用了。

分子对接还有很多内容，比如刚性对接（rigid docking），柔性对接（flexible docking）等，就是在对接时将蛋白或者小分子视作刚性或柔性的分子，柔性对接就来自于诱导契合假说（induce-fit model），目前的大多对接软件都会将小分子看成是柔性的，而把蛋白口袋看作是刚性的。下一期我们会用一个例子来介绍如何用Autodock Vina进行分子对接。