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分子对接

一、题目要求

自己寻找一个受体+药物分子复合物体系（不同配体结合3-4个），然后拿复合物结构作为起始，做对接实验。 软件自选，Dock, AutoDock…

二、操作过程记录及结果

1、软件下载与安装

AutoDock下载安装

进入AutoDock官网下载安装http://autodock.scripps.edu/downloads/autodock-registration/autodock-4-2-download-page/

图表 1 AutoDock官网

mgltools下载安装

进入mgltools官网下载安装http://mgltools.scripps.edu/downloads

2、对接体系选择

PDB搜索

进入PDB，搜索“drug complex”，检索出蛋白+小分子复合物，大体上看了一下，选择Human DPP4蛋白，分别是Human DPP4 in complex with ligand 34n、34p、19a、34a，PDB编号是5T4H、5T4F、5T4E、5T4B。
进入VMD进行可视化，可以看出来小分子结合没有导致蛋白质结构发生大变化。因此可以选用这个体系。




使用VMD中的File->Save Coordinates中的“resname 小分子名称”，将ligand小分子分别拆出来，生成75N.pdb、75L.pdb、75M.pdb、75J.pdb文件，由于蛋白质是由对称的两条链chain A和chain B组成，因此分子对接的时候选用其中一条链即可，用File->Save Coordinates中的“protein and chain A”再将5T4B蛋白质A链拆出来，每个对应的ligand小分子也要拆出A链的部分就成。
为了显示分子对接的效果，同样再选三个于上述蛋白质复合物无关的体系：5j95、5jzs、5ng5，用同样的操作分别拆出来小分子5QF、6HH、FGZ。

AutoDock分子对接

一、预处理：准备受体分子

首先，用Select->Select From String工具，选择所有的水分子，再用Edit->Delete Selected Atoms去除所有的水分子，接着用Edit->Hydrogens->Add为受体分子加上H原子，保存修改好的受体分子。

二、预处理：准备配体分子

使用Ligand下拉菜单中的Torsion Tree一系列工具，设置配体分子的可扭转键，保存配体分子。

三、预处理：准备柔性残基文件

首先，在PDB中找到配体结合位点附近的氨基酸，点击Binding Pocket(JSmol)即可查看

图表 2 Binding Pocket(JSmol)

图表 3 查看最佳的柔性残基
可以发现，A链上第631位的TYR离配体分子很近，可以设置为柔性残基，用Select->Select From String工具选中TYR631，在Flexible Residues->Choose Torsions in Currently Selected Residues，将选中的残基标记为柔性残基，并且设置可扭转键的数量。
在ADT菜单中，选择Flexible Residues->Output->Save Flexible PDBQT保存柔性残基文件，用Flexible Residues->Output->Save Rigid PDBQT保存刚性残基文件。

四、预处理 准备大分子

Grid->Macormolecule->Open打开之前处理好的刚性残基文件； Grid->Set Map Types->Open Ligand，打开配体文件；Grid-> Grid Box准备一个大盒子，将大分子的活性位点包括在里面，Grid Options菜单中File->Close Saving current保存。Grid->Output->Save GPF将Grid参数保存成格子参数文件。

运行AutoGrid4

ADT菜单：Run->Run AutoGrid，（此步骤在windows环境下需要用命令行运行）
把之前的文件全都放在一起，在程序所在的文件夹路径下，在图形用户界面设置好参数，把命令粘到命令提示框内运行，
autogrid4.exe -p 5t4b.gpf -l 5t4b.glg &

Docking参数设置

Docking->Macromolecule->Set Rigid Filename设置对接中的刚性分子
Docking->Ligand->Choose设置对接中的Ligand分子
Docking->Macromolecule->Set Flexible Residues Filename设置对接中的柔性残基
Docking->Search Parameters->Genetic Algorithm设置寻找最优解的遗传算法参数
Docking->Docking Parameters打开Set Docking Run Options，设置对接运行参数。
Docking->Output->Lamarckian GA输出拉马克遗传算法对接参数文件。

运行AutoDock4

ADT菜单：Run->Run AutoDock（此步骤在windows环境下需要用命令行运行）
把之前的文件全都放在一起，在程序所在的文件夹路径下，在图形用户界面设置好参数，把命令粘到命令提示框内运行
autodock4.exe -p 5t4b.dpf -l 5t4b.dlg &

结果查看

ADT菜单：Analyze->Dockings->Open，打开对接记录文件“.dlg”，即可看到每种对接构象的能量。

结果与分析讨论

自由能比较

下图为与不同配体结合的自由能，第一个图对应5T4B体系原本的75N配体结合能(-11.25)，第二个图对应相似的蛋白体系5T4E对应的配体75L对接到5T4B受体蛋白的结合能(-9.71)，可以明显看出来，原配的小分子配体结合能要小得多。
第三和第四个图对应5T4B受体蛋白与一些完全无关的小分子配体结合能(6HH和FGZ)，比起原来相似的体系，结合能又要多了很多，分别是-8.72和-5.39，这与常理也相吻合，毕竟毫无关系的小分子一般是对接不上去的。
结合能大小比较：原配的小分子<相似体系的小分子<无关的小分子




接下来，对上述配体结合能进行聚类，依旧可以明显发现上述的结果。图一是原配的小分子，图二是相似体系的配体小分子，图三图四是完全无关的小分子。原配的小分子结合能是最小的，然后是相似体系的小分子结合能，结合能最大的是无关的小分子体系。

可视化比较

将AutoDock做出来的75N配体结合构象（黄色，选择-11.25的那个结果）与原来5T4B体系复合体系中75N构象（浅蓝色）放入VMD进行比较，可以发现两者非常接近。

图表 4 原配体75N对接比较
将AutoDock做出来的相似体系75L配体结合构象（绿色，选择-9.71的那个结果）与原5T4B体系复合体系中75N构象（浅蓝色）放入VMD进行比较，发现75L配体结构就与75N有差别，对接后与原来距离也稍微远一些。

图表 5 相似体系配体75L对接比较
将AutoDock做出来的相似体系6HH配体结合构象（深蓝色）和FGZ配体结合构象（绿色）与原来5T4B体系复合体系中75N构象（浅蓝色）放入VMD进行比较，发现差别更加大。

图表 6 无关小分子6HH对接比较

图表 7 无关小分子FGZ对接比较

优化与改进

当然，上面的分子对接也有一些可以改进的地方，就比如图二和三，按理来说毫无关系的小分子结合能应该比相似体系结合能大很多，但是图二相似体系75L(-9.71)与图三无关小分子6HH(-8.72)的结合能值比较接近。而且可以看出来图三和图四比起真正的结合位点图一要偏移了很多，其可以改进的地方有两点：

1. GA遗传算法计算次数较少，一共只采样10次，可以在参数设置的时候选择更大GA Runs和Population Size(采样大小)最优解
2. 之前Gird Box设置的时候，盒子位置只是简单地取在在受体大分子的中央，而且格点间隔为默认值0.375A。最理想的位置是在原来配体的附近，而且最佳的盒子大小是正好包含活性位点，并且格点间隔要稍微小一点(格子越大，精度越小)。