Учебный сайт Фоменко Елены

Цель занятия - ознакомится с возможностями докинга низкомолекулярного лиганда в структуру белка.

Будем работать с белком лизоцимом, структуру которого строили на основе гомологичного моделирования на прошлом практикуме.
Программе Autodock Vina для докинга необходимы специально форматированные файлы pdb c зарядами и указанием торсионных углов. Для начала попробуем провести докинг одного из мономеров сахара (NAG) из прошлого занятия.

1. В банке pdb находим SMILES нотацию для NAG. Сохраняем эту нотацию в файл nag.smi.
2. C помощью obgen строим 3D структуру этого сахара в pdb формате. Использовались команды:

                                        obgen nag.smi > nag.mol
					export PATH=${PATH}:/home/preps/golovin/progs/bin
					export MOPAC_LICENSE=/home/preps/golovin/progs/bin

Полученную структуру через PyMol сохраняем как .pdb.

Скриптом prepare_ligand4.py из пакета Autodock tools создаем pdbqt файл лиганда. Указываем для этого путь к скрипту:

                                           export PATH=${PATH}:/home/preps/golovin/progs/bin

Так же, скриптом prepare_receptor4.py из пакета Autodock tools создаем pdbqt файл белка.

Теперь создаем файл с параметрами докинга vina.cfg. Для докинга необходимо указать область структуры белка, в которой будет происходить поиск места для связывания. Задаем ее как куб с неким центром. Координаты центра определяем из модели комплекса, которую мы построили на прошлом занятии. Определили центр масс с помощью PyMol, командой pseudoatom, координаты вывели командой iterate_state 1, pseudo01, print x,y,z.

Теперь проводим первый докинг:

 
                      vina --config vina.cfg --receptor protein.pdbqt --ligand nag.pdbqt --out nag_protein.pdbqt --log nag_prot.log

Получаем nag_prot.log, ниже представлены энергии трех лучших расположений и геометрическая разница между ними.

                                        mode |   affinity | dist from best mode
					     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
					-----+------------+----------+----------
                                           1         -5.2      0.000      0.000
					   2         -5.1      2.375      4.295
					   3         -5.1      2.021      3.280

В PyMol загружаем файлы nag_protein.pdbqt и protein.pdbqt. Отображаем все состояния на одной картинке с помощью split_states (Рис.1).

Рис.1 Изображение всех состояний после первого докинга.

Оказалось, что лиганд связывается чаще всего именно в предусмотренном для него месте.

Теперь проведём докинг, рассматривая подвижность некоторых боковых радикалов белка. Сначала разобьем белок на две части, подвижную и неподвижную. Для подвижной части выберем 3 аминокислоты, которые мы использовали в прошлом задании для позиционирования лиганда.

                 python /usr/share/pyshared/AutoDockTools/Utilities24/prepare_flexreceptor4.py -r protein.pdbqt -s ASN87_GLN145_LYS147

и проведём докинг:

                      vina --config vina.cfg --receptor protein_rigid.pdbqt --flex protein_flex.pdbqt
                      --ligand nag.pdbqt --out nag_prot_flex.pdbqt --log nag_prot_flex.log

Получаем файл nag_prot_flex.log, ниже представлены энергии трех лучших расположений и геометрическая разница между ними.

                                        mode |   affinity | dist from best mode
					     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
					-----+------------+----------+----------
                                           1         -5.8      0.000      0.000
					   2         -5.3      2.221      4.219
					   3         -5.2      1.543      3.742

Энергии получились немного лучше, чем в первом случае, а времени затрачено немного больше.
Загружаем в PyMol nag_prot_flex.pdbqt и protein_rigid.pdbqt, отображаем все состояния на одной картинке (Рис.2).

Рис.2 Изображение всех состояний после второго докинга.

Заметно, что в "кармане" лиганды стали располагаться менее централизованно (видимо, как следствие подвижности некоторых остатков в том районе), и больше лигандов связалось с другой стороны белка.

NAG содержит в себе СH3C(=O)NH группу. Создаем 4 лиганда, где метильный радикал этой группы будет заменён на OH, NH2, H или Ph: nagoh.smi
nagnh2.smi
nagh.smi
nagph.smi

Для каждого из этих лигандов проводим обыкновенный докинг.

Таблица из трёх лучших расположений для каждого лиганда:

nagoh_prot.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -4.1      0.000      0.000
   2         -4.0      4.286      6.153
   3         -3.8      2.962      4.195
nagnh2_prot.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -4.4      0.000      0.000
   2         -4.3      1.889      3.883
   3         -4.2      4.571      6.855
nagh_prot.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -4.3      0.000      0.000
   2         -4.1      3.824      5.539
   3         -4.1      1.000      2.914
nagph_prot.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.7      0.000      0.000
   2         -5.6      2.318      2.996
   3         -5.4      2.393      3.986

Можно заметить, что энергии лучших расположений ухудшились во всех случаях (в меньшей степени для Ph-замещенного лиганда, в большей степени для OH-замещенного).

Проведем теперь докинг с подвижными радикалами для новых 3 лигандов, кроме Н. Энергии лучших расположений:

nagoh_prot_flex.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -4.5      0.000      0.000
   2         -4.4      1.442      3.515
   3         -4.3      1.475      2.924
nagnh2_prot_flex.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.1      0.000      0.000
   2         -5.1     11.632     13.795
   3         -5.1     12.445     14.445
nagph_prot_flex.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -6.3      0.000      0.000
   2         -6.3      5.539      9.082
   3         -6.1      2.185      5.905

Энергии получились лучше, чем в предыдущем случае, а для Ph-замещенного лиганда даже лучше, чем при обычном докинге незамещенного лиганда. Видимо, при определенных конформациях белка этот лиганд обладает немного повышенным сродством.