Докинг низкомолекулярных лигандов в структуру белка

1

Задание было выполнено на примере лизоцима тюленя, структура которого была построена на основе гомологичного моделирования на прошлом практикуме (выбрана первая из построенных моделей).

В банке pdb была найдена SMILES нотация для NAG:

CC(=O)N[C@@H]1[C@H]([C@@H]([C@H](O[C@H]1O)CO)O)O

nag.smi

2

С помощью obgen была построена 3D структура лиганда в pdb формате:

obgen nag.smi > nag.mol
babel -imol nag.mol -opdb nag.pdb

3..4

Скриптом prepare_ligand4.py были созданы pdbqt файлы лиганда и белка:

prepare_ligand4.py -l nag.pdb
prepare_receptor4.py -r lys.pdb

5..6

Центр куба, в которм будет происходить поиск места для связывания, был определен с помощью создания псевдоатома. Таким образом был создан файл с параметрами докинга:

center_x=42.4
center_y=44.0
center_z=28.2

size_x = 25
size_y = 25
size_z = 25

num_modes = 20

И, собственно, запущен первый докинг:

vina --config vina.cfg --receptor prot.pdbqt \
     --ligand nag.pdbqt --out nag_prot.pdbqt --log nag_lyz.log

vina.cfg

7

Энергии трех лучших расположений и геометрическая разница между ними:

mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.7      0.000      0.000
   2         -5.6      2.106      4.691
   3         -5.5      2.053      4.934

Второе и третье расположение очень похожи между собой, но принципиально различаются с первым (что видно по rmsd).

На картинке ниже отображены все состояния полученной структуры на одной картинке. Видно, что лиганду доступен определенный "карман", внутри которого его положение может меняться.

8

Затем был проведен докинг с учетом подвижности некоторых боковых радикалов белка, а именно трех аминокислот, по которым было проделано гомологичное моделирование в прошлом практикуме. Эти аминокислоты содержат атомы, образующие водородную связь с атомами лиганда.

python /usr/share/pyshared/AutoDockTools/Utilities24/prepare_flexreceptor4.py \
    -r prot.pdbqt -s GLU53_ASN64_ASP120
vina --config vina.cfg --receptor prot_rigid.pdbqt --flex prot_flex.pdbqt \
    --ligand nag.pdbqt --out nag_prot_flex.pdbqt --log nag_prot_flex.log

9..10

Энергии трех лучших расположений и геометрическая разница между ними:

mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.9      0.000      0.000
   2         -5.8      1.283      2.486
   3         -5.6      1.702      3.011

Энергия лучшего связывания лиганда с подвижным белком меньше, чем с полностью неподвижным (-5.9 против -5.7 ккал/моль). В случае с подвижным белком лиганд входит в предоставленный ему "карман" менее глубоко, в 20-м представленном состоянии он даже не заходит в него. При этом первое положение лиганда в обоих случаях очень похоже; энергии отличаются, видимо, именно засчет движения аминокислот.

Докинг с подвижными остатками занял чуть больше времени, чем c полностью неподвижным белком.

11

Аналогичные операции были проделаны еще для четырех лигандов, где СH3C(=O)NH группа была заменена на:

Скрипт (с выводом таблицы энергий и rmsd):

for i in {2..5};do
obgen nag${i}.smi > nag${i}.mol
babel -imol nag${i}.mol -opdb nag${i}.pdb
prepare_ligand4.py -l nag${i}.pdb
vina --config vina.cfg --receptor prot.pdbqt \
    --ligand nag${i}.pdbqt --out nag${i}_prot.pdbqt --log nag${i}_prot.log
out=nag${i}_prot.log
echo -e "$out" >> tables.txt
grep 'mode' $out -A 5 >> tables.txt
done

Результат:

nag2_prot.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.2      0.000      0.000
   2         -4.7      1.596      3.897
   3         -4.5      1.073      3.348

nag3_prot.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.2      0.000      0.000
   2         -5.2      2.127      3.791
   3         -5.1      1.995      3.632

nag4_prot.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.0      0.000      0.000
   2         -4.9      2.453      3.202
   3         -4.9      2.636      4.393

nag5_prot.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -6.3      0.000      0.000
   2         -6.2      2.067      3.067
   3         -5.9      2.491      5.508

Если судить по энергиям наилучших состояний, лучше всего (и с большим отрывом) с белком связывается Ph-лиганд, хуже всего - H-лиганд. Все лиганды расположены в "кармане" белка одинаково глубоко. У OH-лиганда есть два основных расположения в пространстве (видно на картинке ниже), у остальных лигандов такого четкого разделения нет и они распределяются по всему предоставленному "карману".

OH (nag2)	NH₂ (nag3)

H (nag4)	Ph (nag5)

12

Был проведен докинг для OH-, NH₂- и Ph-лиганда c подвижными радикалами белка.

nag2_prot_flex.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.2      0.000      0.000
   2         -4.8      1.248      3.065
   3         -4.6      1.135      2.766

nag3_prot_flex.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.3      0.000      0.000
   2         -5.2      1.790      3.031
   3         -5.1      1.627      3.029

nag5_prot_flex.log
mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -6.5      0.000      0.000
   2         -6.3      2.234      4.768
   3         -6.1      2.964      5.277

Энергии лучших состояний понизились для всех лигандов. Изменилось и их расположение относительно белка. OH-лиганд часто вообще не входит в "карман" белка и не образует водородных связей с подвижными остатками; NH₂-лиганд тоже поменял свое расположение относительно результатов с неподвижным белком; только Ph-лиганд остался более или менее там же. При этом различия наблюдаются в не-лучших состояниях, а расположение лиганда в состояниях с наименьшей энергией практически совпадает во свсех случаях. Энергия понижается по сравнению с белком без подвижных частей, видимо, как и в случае с полноценным nag, засчет движения подвижных остатков белка.

OH (nag2)	NH₂ (nag3)

Ph (nag5)