一种基于拉伸分子动力学的探究小分子-蛋白结合关键残基的识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拉伸分子动力学的探究小分子

【技术实现步骤摘要】
一种基于拉伸分子动力学的探究小分子
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蛋白结合关键残基的识别方法


[0001]本专利技术涉及应用分子动力学方法的计算药物设计领域，尤其涉及基于拉伸分子动力学的小分子
‑
蛋白结合关键残基的识别方法。

技术介绍

[0002]抑制剂针对一些病毒体内具有明确靶点且与其生理过程相关的蛋白酶具有显著的抑制作用。然而病毒具有明显的突变性，能够使得蛋白酶对抑制剂产生耐药型突变，这导致研发能够应对耐药突变体的有效抑制剂较为困难。当前抑制剂的研发周期较长，抑制剂的长期使用会存在较大的局限性。为了能够提高抑制剂的有效性，并增强其面对突变风险的能力，药物设计领域中将焦点放到抑制剂与蛋白酶之间相互作用的结合和解离动力学过程。研究表明目前大多数抑制剂表现出针对不同蛋白酶的差异性动力学过程，该过程中的潜在抑制机理对基于蛋白结构的药物设计至关重要。不同抑制剂对于不同的蛋白酶具有不同的结合速率和解离速率，而探究对这种速率常数造成影响的因素是推动药物设计的重要推力。
[0003]抑制剂的有效性通常使用平衡常数K
d
表示，该值可以由解离速率k
off
和结合速率k
on
的比值获得。平衡常数越低表明抑制剂具有更好的抑制效果，因此在抑制剂的设计过程中，如何提高结合速率并降低解离速率是设计过程中的关键目标。分子动力学(Moleculardynamics，MD)模拟是研究抑制剂与蛋白动力学过程的有效工具，分子动力学以牛顿第二定律为基础，可以对模拟体系中大量原子和分子的运动过程进行求解。该方法在生物学、计算化学和药学等领域被广泛应用。在药物设计中，该方法可以从原子及分子层面识别在基于结构的药物设计过程中影响抑制剂结合和解离过程中的关键要素。研究表明抑制剂的大小、拓扑结构和刚度等特征均会影响不同抑制剂的结合过程。与结合过程相比，人们对于解离过程的研究相对较少。蛋白酶的突变往往能够通过显著增加解离速率来降低抑制剂的有效性。因此蛋白酶的突变对于解离速率有显著影响，该机理对于避免抑制剂失效有重要意义。
[0004]全原子模拟能够有效地追踪模拟系统动力学的原子细节。通过全原子模拟方法研究抑制剂的解离过程，对于优化抑制剂设计过程中的相互作用具有重要意义。抑制剂在生理状态下的解离过程的时间尺度达到毫秒及以上的量级，经典的全原子分子动力学模拟的时间尺度通常为纳秒到微秒量级，因此对于生理状态下的抑制剂解离过程的模拟超出了经典的分子动力学模拟的极限。拉伸分子动力学(steered molecular dynamic,SMD)模拟能够对系统施加一个力，因此拉伸分子动力学模拟能够加速抑制剂的解离过程。该方法已被广泛应用于研究配体
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受体相互作用、蛋白
‑
蛋白间相互作用及蛋白的展开过程等系统。此外，该方法还可以计算分子间相互作用的自由能图。通过拉伸分子动力学方法可以更高效地在原子细节中找到对抑制剂的解离速率有影响的潜在机制，这能够有效提高新抑制剂的研发进程。综上所述，将计算生物学方法引入药物设计领域，能够协助药物研发人员对靶向
药物进行设计，提高抑制剂对病毒突变行为的耐受性。

技术实现思路

[0005]基于以上现有技术的不足，本专利技术所解决的技术问题在于提出了基于拉伸分子动力学的探究小分子
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蛋白结合关键残基的识别方法，本专利技术采用拉伸分子动力学方法作为模拟手段，对小分子
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蛋白符合体系进行模拟，通过对模拟后的轨迹分析氢键数目和原子间距离，分析野生型中的关键互作残基；对野生型进行突变后分析对抑制剂效果的影响；采用伞形采样计算结合能，定量分析小分子与蛋白结合强度。该方法能够辅助靶向药物的设计，提高抑制剂对病毒突变性的耐受性。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]基于拉伸分子动力学的探究小分子
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蛋白结合关键残基的识别，包括以下步骤：
[0008]S1:从PDB数据库中获取蛋白晶体结构，对缺失的晶体结构进行补齐；从小分子数据库下载小分子结构文件；生成小分子力场文件及拓扑文件；构建复合物模拟系统；
[0009]S2：对模拟系统进行能量最小化、退火模拟、NVT和NPT系综下进行预平衡，解除约束进行较短时间的常规分子动力学模拟，用于生成拉伸分子动力学初始结构；
[0010]S3：在NPT系综下进行预平衡，不同拉伸速率解除约束进行拉伸分子动力学；选定反应坐标进行伞形采样；提取小分子与蛋白相互作用关键指标并计算结合自由能。
[0011]其中，S1包括以下步骤：
[0012]S11:从PDB数据库下载合适的蛋白晶体结构，选择结构完整且高分辨率的解析晶体结构；
[0013]S12:从小分子数据库下载分子结构文件，对结构进行优化；
[0014]S13:利用CGenFF工具生成小分子力场文件及拓扑文件；
[0015]S14:构建小分子
‑
蛋白复合体系。
[0016]此外，S2包括以下步骤：
[0017]S21:使用CHARMM36力场对蛋白分子及原子间的相互作用进行表征，并使用TIP3P水分子模型对整个系统进行溶剂化；
[0018]S22:对溶剂化后的系统添加离子，使得系统净电荷为零；为对生理系统进行模拟，选用Na
+
和Cl
‑
对系统电荷进行中和；并将渗透压设置为150mM；
[0019]S23:对模拟系统进行退火模拟，在100ps内将系统从3K升温至310K；
[0020]S24:使用V
‑
rescale算法对模拟体系温度进行耦合，在NVT系综下进行100ps模拟；
[0021]S25:使用Parrinello
‑
Rahman算法对模拟体系压强进行耦合，在NPT系综下进行100ps模拟；
[0022]S26:对预平衡后的系统进行约50ns的解除约束后的常规分子动力学模拟。
[0023]最后，S3包括如下步骤：
[0024]S31:从常规分子动力学中提取用于拉伸分子动力学的模拟结构；
[0025]S32:根据系统大小构建模拟盒子；
[0026]S33:使用Parrinello
‑
Rahman算法对模拟体系压强进行耦合，在NPT系综下进行100ps模拟；
[0027]S34:生成具有不同劲度系数的弹簧和拉伸速率的配置文件；
[0028]S35:求导得出拉力的表达式；
[0029]S36:进行拉伸分子动力学模拟，直至小分子从结合口袋中脱落；
[0030]S37:从拉伸分子动力学模拟轨迹中提取伞状采样模拟的初始构象；
[0031]S38:沿反应坐标间隔一定距离进行采样；
[0032]S39:利用简谐波势将距离限制在法线上，对每个窗口进行模拟，直至收敛；
[0033]S310:通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于拉伸分子动力学的探究小分子
‑
蛋白结合关键残基的识别方法，包括以下步骤：S1:从PDB数据库中获取蛋白晶体结构，对缺失的晶体结构进行补齐；从小分子数据库下载小分子结构文件；生成小分子力场文件及拓扑文件；构建复合物模拟系统；S2：对模拟系统进行能量最小化、退火模拟、NVT和NPT系综下进行预平衡，解除约束进行较短时间的常规分子动力学模拟，用于生成拉伸分子动力学初始结构；S3：在NPT系综下进行预平衡，不同拉伸速率解除约束进行拉伸分子动力学；选定反应坐标进行伞形采样；提取小分子与蛋白相互作用关键指标并计算结合自由能。2.根据权利要求1所述的基于拉伸分子动力学的探究小分子
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蛋白结合关键残基的识别方法，其特征是，S1包括以下步骤：S11:从PDB数据库下载合适的蛋白晶体结构，选择结构完整且高分辨率的解析晶体结构；S12:从小分子数据库下载分子结构文件，对结构进行优化；S13:利用CGenFF工具生成小分子力场文件及拓扑文件；S14:构建小分子
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蛋白复合体系。3.根据权利要求2所述的基于拉伸分子动力学的探究小分子
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蛋白结合关键残基的识别方法，其特征是，S11选择具有与抑制剂小分子共结晶的蛋白晶体结构；S12优先选择PDB数据库中已有结构的抑制剂分子。4.根据权利要求1所述的基于拉伸分子动力学的探究小分子
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蛋白结合关键残基的识别方法，其特征是，S2包括以下步骤：S21：使用CHARMM36力场对蛋白分子及原子间的相互作用进行表征，并使用TIP3P水分子模型对整个系统进行溶剂化；S22:对溶剂化后的系统添加离子，使得系统净电荷为零；为对生理系统进行模拟，选用Na
+
和Cl
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对系统电荷进行中和；并将渗透压设置为150mM；S23:对模拟系统进行退火模拟，在100ps内将系统从3K升温至310K；S24:使用V
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rescale算法对模拟体系温度进行耦合，在NVT系综下进行100ps模拟；S25:使用Parrinello
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Rahman算法对模拟体系压强进行耦合，在NPT系综下进行100ps模拟；S26:对预平衡后的系统进行约50ns的解除约束后的常规分子动力学模拟。5.根据权利要求4所述的基于拉伸分子动力学的探究小分子
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴柏旭，鲍乾，胡亮，
申请(专利权)人：浙江洛兮医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：