МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕЛКОВ С МАЛЫМИ МОЛЕКУЛАМИ – РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ИЕТОДА СЛЕПОГО ДОКИНГА Ю.Н. ВОРОБЬЕВ Institute Chemical Biology and Fundamental Medicine Siberian Brunch of Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia МОТИВАЦИЯ: ПОСТГЕНОМНАЯ ЭРА – МНОЖЕСТВО НОВЫХ НЕ ХАРАКТЕРИЗОВАННЫХ БЕЛКОВ ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ САЙТОВ СВЯЗЫВАНИЯ НОВЫЕ МИШЕНИ ДЛЯ ПРЕПАРАТОВ

- ДОСТУПНЫЕ ПАКЕТЫ для ДОКИНГА : DOCK4.0, FlexX1.8, GOLD1.2, AutoDock4 находят структуры комплексов белок-лиганд - Успешный докинг RMSD 2.0 A ~ вероятность % [Chen et al, J Comp.Chem. 2007, 28: ; -Предсказание абсолютной энергии связывания ?? нет надежных методов

ДОКИНГ: ПОИСК ОПТИМАЛЬНОГО МЕСТА (СТРУКТУРЫ) СВЯЗЫВАНИЯ ЛИГАНДА С МОЛЕКУЛОЙ БЕЛКА DOCKING – GLOBAL OPTIMIZATION PROBLEM для структуры комплекса белок-лиганд -Фазовое пространство задачи (степени свободы): - позиция, ориентация, конформация лиганда - конформация белка – индуцированная подстройка - Метод Глобальной оптимизации ?? -Целевая функция Свободная энергия комплекса – не вычисляема - Разумные аппроксимации - reliable scoring function ? - должна отличать нативный комплекс от неправильного

Scoring function - two groups: 1)Empirical scoring function – weighted sum of terms or descriptors, i.e. different energy terms, weights are estimated on training set - LIMITED TRANSFERABILYTY beyond of training P/L set 2) PMF – atom-atom potentials derived from 3D-dataset for P/L complexes, as a probability to find atom pair at a given distance – WEEK STAT.MECH. FOUNDATION – limited accuracy, SR ~ 55-70% 3) physics based scoring functions, i.e. Force Field used in atom-atom simulation of protein structure, - highest rate of transferability Наиболее надежны аппроксимации свободной энергии связывания = потенциальная энергия + энергия сольватации + энтропия

We present the docking method MdDOCK which relay on: - 1) physics based approaches - 2) USE exhaustive hierarchical search for binding sites on protein surface - 3) USE physics based scoring function = BINDING ENERGY : atom-atom potentials + electrostatics + solvation model - 4) global optimization for ligand and receptor conformations via molecular dynamics coupled with simulated annealing and force field deformation

Глобальная оптимизация в задаче ДОКИНГА -Подход в лоб не продуктивен – известные методы используют: - ручное ограничение исследуемого фазового пространства - ОГРАНИЧИВАЕТСЯ область докинга на поверхности белка - НЕ ПРИЕМЛЕМО ДЛЯ СЛЕПОГО ДОКИНГА - Варианты генетического метода глобальной оптимизации + локальные методы

-ДОКИНГ – подобен самоорганизации поверхность потенциальной энергии – ВОРОНОЧНАЯ- -Область низкой энергии в фазовом пространстве – сайт связывания в низком разрешении -Точная структура комплекса белок-лиганд - сайт в высоком разрешении

-РАЗРАБАТЫВАЕТСЯ- метод слепого иерархического ДОКИНГА -1) исчерпывающий анализ молекулярной поверхности молекулы белка – поиск всех полостей, карманов, складок - локализация позиций связывания в низком разрешении ~ 3 Å 2) Глобальная оптимизация позиции, ориентации, конформации лиганда, - оптимизация индуцированной подстройки белка Глобальная оптимизация на основе - метода Молекулярной Динамики - деформация поверхности потенциальной энергии + отжиг по температуре, множественный старт из разных ориентаций(конформаций) лиганда из сайта низкого разрешения

Определение сайтов связывания низкого разрешения: 1 – Расчет поверхности молекулы белка ДОСТУПНОЙ сфере радиуса – анализ и определение позиций центров полостей, карманов и складок на поверхности молекулы белка = сайтов низкого разрешения 3 – Расчет ранга (числа контактов) сайтов низкого разрешения 4 - Определение сайтов связывания низкого разрешения с наибольшим рангом

Сайты связывания в низком разрешении 1etr – thrombin/agrotroban complex

Распределение сайтов связывания по рангу (число контактов)

Определение приближенной ориентации лиганда: Точечный образ лиганда натягивается на сайты связывания низкого разрешения 1etr – thrombin/agrotroban complex AGROTROBAN

МД глобальная оптимизация: - молекулярная динамика для лиганда в окрестности сайта связывания низкого разрешения - температурный отжиг + деформация поверхности потенциальной энергии (стимуляция конформационных переходов) - Force Field – AMBER99 for VDW + + modified electrostatics + explicit HydrogenBonds + Solvation

Тrypsine/ benzamidine complex. A – ранг низкого разрешения для сайтов связывания низкого разрешения - B – энергии связывания в сайтах связывания высокого разрешения-

Benzamidine-tripsine 1bty красный – структура минимальной энергии; CPK- native. нативная

1dwb : thrombin/ benzamidin complex A – ранг низкого разрешения для сайтов связывания низкого разрешения - B – энергии связывания в сайтах связывания высокого разрешения-

Docking results 1dwb : thrombin + benzamidine complex Структура минимальной энергии - синий; НАТИВНЫЙ-CPK- красный benzamidine in 1dwb complex, Другие комплексы – yellow, brown, green.

Заключение Работа продолжается ЦЕЛЬ: Разработать иерархический метод слепого докинга, который может использоваться для характеризации сайтов связывания новых белков и направленном конструировании лекарственных препаратов