化学学报 ›› 2021, Vol. 79 ›› Issue (4): 472-480.DOI: 10.6023/A20100489 上一篇 下一篇
所属专题: 纪念南开大学化学学科创建100周年
综述
付浩浩a, 陈淏川a, 张宏a, 邵学广a,b,*(), 蔡文生a,*()
投稿日期:
2020-10-24
发布日期:
2020-12-02
通讯作者:
邵学广, 蔡文生
作者简介:
付浩浩, 本科和博士均毕业于南开大学化学系. 现为南开大学博士后、助理研究员. 研究方向为增强采样算法开发、蛋白质-配体准确结合自由能计算策略研究和复杂体系中高度耦合的运动研究. |
邵学广, 南开大学教授, 博士生导师, 1992年获中国科学技术大学中日联合培养博士学位. 2002 年获教育部第三届高校青年教师奖, 2003 年获国家自然科学基金委杰出青年基金. 主要从事化学计量学及近红外光谱分析方面的研究工作. 建立了小波变换和免疫算法用于复杂信号解析和在线处理的新方法以及一系列用于近红外光谱信号处理和建模的化学计量学方法. |
蔡文生, 南开大学教授, 博士生导师. 1994年获中国科学技术大学博士学位. 主要从事分子模拟与理论化学计算领域的研究工作, 包括优化算法、自由能计算方法、分子模拟及理论化学计算在蛋白质-配体、药物载体、分子机器中的应用研究. |
基金资助:
Haohao Fua, Haochuan Chena, Hong Zhanga, Xueguang Shaoa,b,*(), Wensheng Caia,*()
Received:
2020-10-24
Published:
2020-12-02
Contact:
Xueguang Shao, Wensheng Cai
About author:
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蛋白质-配体的结合过程伴随着复杂的结构变化, 在分子模拟可及的时间尺度内难以完全捕获, 这使得准确估计蛋白质-配体的结合自由能十分困难. 一种有效的解决途径是采用几何约束减小需要采样的构象空间, 再通过后处理方式扣除约束的影响. 本文综述了三种几何约束策略——漏斗状约束、球形约束和七自由度约束与自由能计算算法结合准确计算结合自由能的原理和进展, 重点概述理论严谨的七自由度约束的最新进展以及与Alchemistry或重要性采样方法的联用策略, 最后, 讨论了如何针对不同体系选择合适的计算策略以及蛋白质-配体准确结合自由能计算在药物设计等领域中的挑战和前景, 并提出了将上述方法进一步运用于研究更复杂的蛋白质-蛋白质问题的可能性.
付浩浩, 陈淏川, 张宏, 邵学广, 蔡文生. 基于几何约束的蛋白质-配体准确结合自由能计算[J]. 化学学报, 2021, 79(4): 472-480.
Haohao Fu, Haochuan Chen, Hong Zhang, Xueguang Shao, Wensheng Cai. Accurate Estimation of Protein-ligand Binding Free Energies Based on Geometric Restraints[J]. Acta Chimica Sinica, 2021, 79(4): 472-480.
步骤 | 对应项 | 集合变量 | 约束 | 体系 |
---|---|---|---|---|
1 | RMSD | - | 蛋白质-配体 | |
2 | RMSD | 蛋白质-配体 | ||
3 | RMSD, | 蛋白质-配体 | ||
4 | RMSD, , | 蛋白质-配体 | ||
5 | RMSD, , , | 蛋白质-配体 | ||
6 | RMSD, , , , | 蛋白质-配体 | ||
7 | RMSD, , , , , | 蛋白质-配体 | ||
8 | RMSD | - | 配体 | |
9 | - | - | 解析计算 |
步骤 | 对应项 | 集合变量 | 约束 | 体系 |
---|---|---|---|---|
1 | RMSD | - | 蛋白质-配体 | |
2 | RMSD | 蛋白质-配体 | ||
3 | RMSD, | 蛋白质-配体 | ||
4 | RMSD, , | 蛋白质-配体 | ||
5 | RMSD, , , | 蛋白质-配体 | ||
6 | RMSD, , , , | 蛋白质-配体 | ||
7 | RMSD, , , , , | 蛋白质-配体 | ||
8 | RMSD | - | 配体 | |
9 | - | - | 解析计算 |
作者 | 使用策略 | 小分子配体个数 | 计算误差/ (kJ•mol–1) | 文献 |
---|---|---|---|---|
Aldeghi等 | alchemistry | 11 | MAE=2.5 | [ |
Boyce等 | alchemistry | 13 | RMSE=7.5 | [ |
Li等 | alchemistry | 100 | RMSE=2.59~6.44 | [ |
Laury等 | alchemistry | 14 | MAE=5.02 | [ |
Xie等 | alchemistry | 141 | RMSE=6.65 | [ |
Deng等 | alchemistry/重要性采样 | 3 | AE=6.7~18 (alchemistry), 6.3~14 (重要性采样) | [ |
Fu等 | 重要性采样 | 3(十肽) | AE<1.7 | [ |
作者 | 使用策略 | 小分子配体个数 | 计算误差/ (kJ•mol–1) | 文献 |
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Aldeghi等 | alchemistry | 11 | MAE=2.5 | [ |
Boyce等 | alchemistry | 13 | RMSE=7.5 | [ |
Li等 | alchemistry | 100 | RMSE=2.59~6.44 | [ |
Laury等 | alchemistry | 14 | MAE=5.02 | [ |
Xie等 | alchemistry | 141 | RMSE=6.65 | [ |
Deng等 | alchemistry/重要性采样 | 3 | AE=6.7~18 (alchemistry), 6.3~14 (重要性采样) | [ |
Fu等 | 重要性采样 | 3(十肽) | AE<1.7 | [ |
场景 | 建议 | 说明 |
---|---|---|
基于数据库的药物筛选 | 分子对接 | 效率最高 |
结构相似配体结合能力的定性对比 | MM-G(P)BSA | 效率高, 使用简单 |
刚性小分子、结合位点在蛋白质表面 | 漏斗状约束或球状约束结合重要性采样方法 | 效率较高, 使用简单, 无需考虑小分子结构变化 |
刚性小分子、结合位点在蛋白质内部 | 基于六自由度约束的Alchemistry方法 | 无法使用重要性采样方法, 使用六自由度约束可以简单地解析计算约束贡献 |
柔性配体、结合位点在蛋白质表面 | 基于七自由度的重要性采样方法 | 同等条件下重要性采样算法收敛较快, 需要采用七自由度策略捕获柔性配体结构变化 |
柔性配体、结合位点在蛋白质内部 | 基于七自由度约束的Alchemistry方法 | 其他策略均不适合时最为“安全”的策略 |
场景 | 建议 | 说明 |
---|---|---|
基于数据库的药物筛选 | 分子对接 | 效率最高 |
结构相似配体结合能力的定性对比 | MM-G(P)BSA | 效率高, 使用简单 |
刚性小分子、结合位点在蛋白质表面 | 漏斗状约束或球状约束结合重要性采样方法 | 效率较高, 使用简单, 无需考虑小分子结构变化 |
刚性小分子、结合位点在蛋白质内部 | 基于六自由度约束的Alchemistry方法 | 无法使用重要性采样方法, 使用六自由度约束可以简单地解析计算约束贡献 |
柔性配体、结合位点在蛋白质表面 | 基于七自由度的重要性采样方法 | 同等条件下重要性采样算法收敛较快, 需要采用七自由度策略捕获柔性配体结构变化 |
柔性配体、结合位点在蛋白质内部 | 基于七自由度约束的Alchemistry方法 | 其他策略均不适合时最为“安全”的策略 |
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