非生物信息学家使用Chimera和Autodock Vina软件进行分子对接

介绍

在现代药物研究中，分子建模的许多方法已被用于研究复杂的化学和生物系统的各种药物发现计划。在鉴定、表征和开发新型有利化合物的过程中，将实验策略整合到计算方法中是非常重要的。分子对接是现代药物设计与开发中广泛应用的一种方法;它探索了大分子靶结合位点内配体的构象，提供了所有不同构象的受体-配体结合自由能的估计。小分子化合物(配体)被停靠到受体的结合位点，然后估计复合物的结合亲和力。这构成了基于结构的药物设计过程的重要组成部分。为了全面了解和估计配体/蛋白质复合物，需要使用快速准确的对接协议来可视化结合相互作用和几何形状[1]。

迄今为止，有各种各样的对接算法可用，这可以更好地理解这些方法的优点和缺点。然而，大多数免费工具依赖于命令行界面的知识。对于生物学家来说，这是一个费力的过程，因此他们避免这样做。对每一种方法的正确估计可以导致合理策略的发展，并产生可重复和相关的结果。

Autodock和Autodock Vina (The Scripps Research Institute)是使用最广泛的免费开源分子对接模拟工具[2]。AutoDock是一个命令行程序集合，可以用来预测一个小的柔性配体与一个已知结构的大分子目标的结合构象。该技术将基于快速网格的能量评估方法与构象搜索和模拟退火相结合。

AutoDock 4以前用于分子对接。新的AutoDock Vina有一个更精确的绑定算法，与AutoDock 4相比，可以将速度提高大约2个数量级。此外，通过AutoDock 4中使用的训练测试，AutoDock 4显著改进了对绑定模式的预测。通过在多核机器上使用多线程，可以通过并行性实现更快的处理速度。AutoDock Vina以透明的方式为用户聚集结果，并自动计算网格地图。

UCSF(加州大学旧金山分校)Chimera软件用于可视化以及密度图、3D显微镜、分子结构和相关数据的分析[3.]。该软件解决了实验前沿方法在范围、大小和数据类型方面的挑战。它为高质量渲染提供了高级选项(分子表面的可靠计算，交互式环境遮挡等)，并为软件的设计和分发提供了专业方法。Chimera是一款非商业用途的免费软件，在性能、可扩展性、可视化和可用性方面表现出了很大的进步。

Chimera分为主要组件:提供可视化和基本服务的核心组件，以及具有高级功能的扩展组件。嵌合体的两个主要扩展是非常重要的:第一个是多尺度，它可以可视化大规模组件(如病毒外壳)的分子组装;第二个是协作界面，它允许嵌合体会话交互式共享，尽管它们位于不同的位置。chimera的其他扩展包括Multalign Viewer(显示多个序列比对和相关结构)、Movie(重播分子动力学轨迹)、Volume Viewer(负责显示和分析体积数据)和ViewDock(筛选对接配体方向)。Chimera适用于所有操作系统。它可以由学术和非营利用户免费使用。

本实验使用Akt和类黄酮非瑟酮。蛋白激酶B，也被称为Akt，是一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白，调节细胞生长和存活[4]。在各种癌症中，PI3K或Akt信号级联上调，并与癌细胞的加速进展和增殖有关。Akt是信号级联的重要组成部分，在癌症的进展和增殖过程中影响细胞的耐力和生长。它通过间接改变细胞周期蛋白D1水平和直接激活细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂(WAF1/p21和KIP1/p27)来控制细胞周期、生长和存活[5]。

据报道，植物衍生的类黄酮非瑟酮存在于各种可食用的天然来源中，具有抗增殖潜力[6]。使用不同浓度的非瑟酮可显著抑制肿瘤的侵袭、增殖和转移性生长，尤其是在肺癌中。目前的研究报道，PI3K/Akt级联是人类细胞中非瑟酮的直接靶点，这是生长和生存的标志[7]。

Chimera中使用的工具健壮、简单且具有交互性，所涉及的计算只需几秒钟。Chimera的主要优点是它集成了大量的交互方法。这些工具还在准备输入和检查来自更专业、复杂和非交互式算法分析软件的结果方面发挥作用。交互式和非交互式分析都是有益的。

方法

对接要求

对接要求如下:(1)Windows 7、8、10或Mac操作系统和Linux; (2) UCSF Chimera 1.12。

指令

对接的逐步操作说明如下:

检索

从主要数据库protein Data Bank (PDB)检索所需的目标蛋白结构[8，9]作为PDB文件。

利用UCSF嵌合体对接靶蛋白

UCSF Chimera是一个可扩展程序，主要用于分子结构的可视化和分析。然而，在本文中，我们在Chimera运行Autodock Vina用于对接目的。

1. 单击文件并按ID获取，如所示图1。
2. 输入该蛋白的PDB ID (Akt: 3QKK)。图2给出了在嵌合体中如何通过PDB ID获得蛋白质结构的截图。任何蛋白质都可以通过插入蛋白质的PDB ID来获取。
3. 获取蛋白质后，通过网站下载其结构;因此，需要一个工作的互联网连接，或者PDB文件可以事先下载，并简单地通过file > open打开。图3显示了UCSF Chimera中检索到的Akt结构。
4. 为对接项目创建一个方便访问的工作目录，如“Users/Desktop/ docking /”。开始在那里保存所有准备好的文件，例如，将3QKK保存为Akt.pdb。

‎ 查看此图

‎ 查看此图

‎ 查看此图

对接目标蛋白的制备

1.为了方便地确定活性位点，需要确定已经存在的抑制剂。要做到这一点，通过点击选择>残留物> SMH(非标准残留物)来选择抑制剂，如图图4。在这张截图中，Akt有一个HOH基团和SMH残基作为非标准残基。由于选择的原因，SMH似乎以绿色突出显示。

‎ 查看此图

2.在选择非标准(抑制剂)残留物后，残留物必须被赋予颜色。将选定的残基与其他蛋白质区分开(图5)，通过点击Actions > color > red(任何你选择的颜色)来改变颜色。

‎ 查看此图

3.蛋白质需要经过优化才能对接。点击工具>结构编辑>码头准备(图6)。所需的码头准备工具都可以在Chimera中获得。这些停靠准备工具在结构编辑文件菜单选项中可用。

‎ 查看此图

4.在dock准备框中，勾选除“删除非络合离子”外的所有选项，点击确定(图7)。

‎ 查看此图

5.通过选择以下适当的选项向蛋白质中添加氢，然后单击OK (图8)。我们允许程序通过选择以上选项，根据模型做出最佳选择。

‎ 查看此图

6.通过点击Gasteiger电荷(图9)，单击“确定”。

‎ 查看此图

7.选择净收费(图10)，单击“确定”。对于大多数蛋白质，净电荷等于零。

‎ 查看此图

8.再次将该文件保存为preped_Akt.PDB。

准备配体对接

与获取蛋白质的过程类似，带有Pubchem化合物ID (CID)的药物可以通过网络连接的软件获取。

1. 点击结构编辑>构建结构> PubChem CID，或者您甚至可以插入正在使用的新化合物的简化分子输入行输入系统(SMILES)。图11展示了如何使用其ID从PubChem获取配体。
2. 输入PubChem CID并单击apply。
3. 配体需要随着蛋白质的优化而优化。点击工具>结构编辑>码头准备，并重复相同的步骤，为准备蛋白质。这些步骤包括除去溶剂、加氢和测定电荷。图12显示了配体对接准备的概述。
4. 配体fissetin保存为prep_fissetin。在前面创建的工作目录中的Mol2文件(图13)。

‎ 查看此图

‎ 查看此图

‎ 查看此图

对接

对接流程如下:

1.点击工具>表面或绑定分析>自动停靠(图14)。

‎ 查看此图

2.我们将在活动站点上设置网格框值;这通常是先前抑制剂存在的地方。如果缺乏抑制剂或活性位点相对未知，则通过阅读文献(图15)。为了本方案的目的，我们将使用已经有抑制剂附着的活性位点。

‎ 查看此图

3.浏览输出文件并保存为Akt fissetin。PDBQT在同一目录下。

4.删除附着在原始3D结构上的抑制剂分子。然后，选择Actions > Atoms and化学键> Delete (图16)。抑制剂的去除对于对接结果的可视化非常重要。3QKK PDB需要再次保存为preped_Akt.PDB。

‎ 查看此图

5.从下拉菜单中选择受体为蛋白(preped_Akt)，配体为prep_fisetin.mol2。重要的是要设置正确的受体和配体。在受体和配体选项中，将所有选项更改为TRUE (图17)。

‎ 查看此图

6.选择Opal Web服务或输入Autodock Vina安装版本所在的本地路径，然后单击OK (图18)。

‎ 查看此图

结果

对接结果

成功运行Autodock Vina后，将出现以下对话框，其中包含解决方案。图19描绘了对接的最后一步，即对接的结果/结果，即得分、均方根偏差(RMSD)下界和RMSD上界。

‎ 查看此图

可视化对接

对接可视化可以实现如下:

1.要查看受体和配体之间的氢键，请使用结果对话框(图20)，选择“氢键>添加计数到整个受体”。

‎ 查看此图

2.这将打开氢键参数对话框(图21)。选择Intermodel显示受体和配体之间的结合。不同的参数可以调整，以更好地描绘粘合。显示氢键和RMSD的所有信息的表格在对接结束时呈现(图22)。

‎ 查看此图

‎ 查看此图

3.为了能够在以后的任何阶段检索对接会话，可以通过选择File > Save session as > An Akt fissetin docking(命名会话)来保存。

讨论

在Chimera使用AutoDock Vina可以实现配体与靶蛋白的快速准确对接。该协议将帮助那些无法使用Autodock和Autodock Vina的研究人员，因为它的命令行界面，无法访问高端软件，如Gold Suite和Molecular Operating Environment，可以轻松地进行计算对接。Chimera与Autodock Vina的使用以前没有被证明过，由于Chimera图形用户界面的易用性，它可以成为刚刚开始学习生物信息学的人的首选工具。