Докинг низкомолекулярных лигандов в структуру белка

Работа проходит с белком лизоцимом из организма курицы LYSC_CHICK, структура (seq.B99990001.pdb) была построена на основе гомологичного моделирования (предыдущее задание).
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.
Для этого вначала найдем в банке pdb (www.pdb.org) SMILES аннотацию для NAG и сохраним ее в файле nag.smi.

Затем с помощью obgen построим 3D-структуру этого сахара в pdb-формате:
obgen nag.smi > nag.mol
babel -imol nag.mol -opdb nag.pdb
В результате был получен файл nag.pdb.

С помощью скрипта prepare_ligand4.py из пакета Autodock tools был создан pdbqt-файл лиганда NAG nag.pdbqt:
prepare_ligand4.py -l nag.pdb
С помощью скрипта prepare_ligand4.py из пакета Autodock tools был создан pdbqt-файл белка LYSC_CHICK seq.B99990001.pdbqt:
prepare_receptor4.py -l seq.B99990001.pdb
Итак, мы получили входные файлы. Теперь создадим файл с параметрами докинга vina.cfg.

Для докинга необходимо указать область структуры белка, в которой будет происходить поиск места для связывания. Удобно его задать как куб с неким центором. Координаты центра определим из модели комплекса, построенной на прошлом занятии. Выберем атом сахара, находящийся в центре сайта связывания (например, атом C7B), и извлечем из текста pdb-файла seq.B99990001.pdb его координаты (40.408 40.738 26.265). Создадим по этим данным файл vina.cfg.

Проведем первый докинг:
vina --config vina.cfg --receptor seq.B99990001.pdbqt --ligand nag.pdbqt --out nag_prot.pdbqt --log nag_prot.log
В результате докинга были получены файлы nag_prot.pdbqt и nag_prot.log.

Просмотрим файл nag_prot.log. Энергии трех лучших расположений и геометрическая разница между ними представлена в таблице:

           mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.5      0.000      0.000
   2         -5.5      1.990      4.897
   3         -5.4      2.909      4.487

Файлы nag_prot.pdbqt и seq.B99990001.pdbqt были загружены в PyMOL. Все состояния на одной картинке изображены ниже:

Как видно на картинке выше, положение лиганда внутри центра связывания достаточно свободно.

Теперь проведем 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 (ALA-125,ASN-121, ASN-77).
Для создания pdbqt-файла воспользуемся скриптом prepare_flexreceptor4.py:
prepare_flexreceptor4.py -r seq.B99990001.pdbqt -s ALA125_ASN121_ASN77
В результате были получены файл seq.B99990001_flex.pdbqt и seq.B99990001_rigid.pdbqt.
Теперь проведем докинг:
vina --config vina.cfg --receptor seq.B99990001_rigid.pdbqt --flex seq.B99990001_flex.pdbqt --ligand nag.pdbqt --out vina_prot_flex.pdbqt --log vina_prot_flex.log

В результате докинга были получены файлы vina_prot_flex.pdbqt и vina_prot_flex.log.

Просмотрим файл vina_prot_flex.log. Энергии трех лучших расположений и геометрическая разница между ними представлена в таблице:

mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -5.2      0.000      0.000
   2         -5.2      1.678      4.172
   3         -5.1      2.495      3.839

Файлы seq.B99990001_rigid.pdbqt и vina_prot_flex.pdbqt были загружены в PyMOL. Все состояния на одной картинке изображены ниже:

На картинке выше представлены все состояния лиганда и трех аминокислотных остатков белка, которые тоже изменяют свою конформацию, правда не так сильно как лиганд. Притом подвижный докинг учитывает подвижность белка, что приближает докинг к реально существующей системе. Лиганд ведет себя более подвижно при подвижном докинге, что вполне объяснимо, т к вместе с лигандом еще подвижностью обладают и аминокислотные остатки белка.Это видно на картинке.

Создадим три лиганда, где метильный радикал СH3C(=O)NH группы NAG заменен на OH, NH2 и H.
Для этого были получены файлы nag2.smi, nag3.smi и nag4.smi соответственно со SMILES измененных лигандов.
Затем были получены их pdb-файлы: nag2.pdb, nag3.pdb и nag4.pdb.
C помощью скрипта prepare_ligand4.py были получены pdbqt-файлы: nag2.pdbqt, nag3.pdbqt и nag4.pdbqt.

В результате обычного докинга были получены файлы:
для первого лиганда: nag2_prot.log и nag2_prot.pdbqt;
для второго лиганда: nag3_prot.log и nag3_prot.pdbqt;
для третьего лиганда: nag4_prot.log и nag4_prot.pdbqt.

Таблица трех лучших расположений для первого лиганда:

  mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -4.9      0.000      0.000
   2         -4.8      1.259      3.619
   3         -4.6      1.472      1.843

   mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -4.8      0.000      0.000
   2         -4.7      2.295      3.777
   3         -4.6      1.714      3.160

  mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
   1         -4.8      0.000      0.000
   2         -4.7      3.003      4.989
   3         -4.7      1.553      3.440

Изображение результата докинга для первого лиганда представлено ниже:

Изображение результата докинга для второго лиганда представлено ниже:

Изображение результата докинга для третьего лиганда представлено ниже:

В третьем случае лиганд даже вышел за область центра связывания белка.

© Замараев Алексей