簡(jiǎn)介

BRIDGE(Biomolecular Reaction and Interaction Dynamics Global Environment)是一個(gè)開(kāi)源的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，旨在為設(shè)計(jì)可靠的方法提供一個(gè)環(huán)境來(lái)進(jìn)行可重復(fù)的生物分子模擬。它建立在著名的星系生物信息學(xué)平臺(tái)上，通過(guò)這種方式，BRIDGE在公共Web服務(wù)器上托管計(jì)算化學(xué)工具以供Internet使用，并使用Docker容器平臺(tái)為本地用戶提供獨(dú)立于機(jī)器和操作系統(tǒng)的可移植性。這種構(gòu)造提高了分子模擬計(jì)算方法的可及性、可共享性和可重復(fù)性。

BRIDGE平臺(tái)可準(zhǔn)備、模擬、分析和可視化分子模擬，特別是分子動(dòng)力學(xué)模擬和自由能計(jì)算。該平臺(tái)通過(guò)常用的軟件，如NAMD、GROMACS和CHARMM，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的基本分子動(dòng)力學(xué)模擬。BRIDGE可以用來(lái)建立和模擬生物大分子，從軌跡數(shù)據(jù)中進(jìn)行構(gòu)象分析，并對(duì)大規(guī)模蛋白質(zhì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析(圖1)。作者以典型的短蛋白纖維二糖水解酶I(CBH1)舉例，來(lái)展示通過(guò)BRIDGE平臺(tái)的工具來(lái)研究CBH1構(gòu)象變化。使用拉氏圖計(jì)算寡糖配體關(guān)鍵糖苷鍵的ψ和φ二面角圖(圖1B)；接著計(jì)算蛋白質(zhì)Cα原子的均方根偏差(RMSD)直方圖，從RMSD直方圖可以看出，其存在三種不同的構(gòu)象(圖1C)；蛋白質(zhì)構(gòu)象變化可以使用統(tǒng)計(jì)分析模塊中的工具進(jìn)行更詳細(xì)的研究。在本案例中，作者通PCA分析5 ns CBH1軌跡中具有統(tǒng)計(jì)意義的構(gòu)象(圖1D)。

圖 1. (A)BRIDGE的MD模擬界面概述；(B-D)CBH1蛋白構(gòu)象變化的研究?jī)?nèi)容

圖片來(lái)源于：Bioinformatics

隨著，計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣，對(duì)于蛋白受體和配體的結(jié)合自由能的計(jì)算變得尤其重要。精確而快速的自由能計(jì)算手段將會(huì)大大提高藥物設(shè)計(jì)的效率，達(dá)到事半功倍的效果。目前關(guān)于自由能計(jì)算的方法很多，基本上可以分為基于煉金術(shù)(alchemistry)自由能計(jì)算(FEP，TI等)和基于反應(yīng)坐標(biāo)的自由能計(jì)算方法(MTD、Umbrella Sampling等)。小分子與受體的結(jié)合自由能(FE)可以分為計(jì)算一個(gè)小分子與受體的絕對(duì)結(jié)合自由能(ABFE)或一系列相關(guān)配體對(duì)受體的相對(duì)結(jié)合自由能(RBFE)，其中RBFB計(jì)算具有速度和精度上的優(yōu)勢(shì)，在基于配體結(jié)構(gòu)的藥物優(yōu)化設(shè)計(jì)中最常用。但當(dāng)沒(méi)有參考結(jié)構(gòu)時(shí)，或結(jié)構(gòu)間的擾動(dòng)在計(jì)算上難達(dá)到的，ABFE計(jì)算最有用。BRIDGE采用煉金術(shù)自由能計(jì)算方法計(jì)算自由能，同時(shí)通過(guò)MD或Monte Carlo模擬采集足夠的構(gòu)象，由于計(jì)算過(guò)程也將熵貢獻(xiàn)考慮進(jìn)來(lái)了，得到的結(jié)合自由能更準(zhǔn)確。

Galaxy/BRIDGE可以在GitHub上開(kāi)放訪問(wèn)https://galaxy-compchem.ilifu.ac.za/)。用戶界面簡(jiǎn)單明了(圖2)，工具顯示在左側(cè)面板中，可以使用工具菜單頂部的上載圖標(biāo)上載數(shù)據(jù)，而頂部菜單欄包含共享資源、用戶帳戶和其他信息。進(jìn)度歷史記錄顯示在右側(cè)面板中，有關(guān)當(dāng)前所選工具或數(shù)據(jù)集的信息顯示在中央面板中。

本文主要以案例的形式講述BRIDGE綜合自由能工具(應(yīng)用程序)來(lái)計(jì)算絕(相)對(duì)自由能，預(yù)測(cè)配體親和力指導(dǎo)先導(dǎo)化合物的優(yōu)化。

圖 2. Galaxy/BRIDGE的界面概述

圖片來(lái)源于：Bio-protocol

案例

首先以RBFE計(jì)算的工作流示例(圖3)。包括使用GROMACS工具進(jìn)行FEP模擬的設(shè)置和說(shuō)明，從“煉金術(shù)設(shè)置”工具中選擇結(jié)構(gòu)和拓?fù)湮募敵?#xff0c;并定義所需的模擬參數(shù)。可以分為四個(gè)步驟(圖3B)，(i) 能量最小化，(ii)NVT系綜平衡，(iii)NPT系綜平衡(iv)NPT系綜下的FEP模擬，這一過(guò)程是全自動(dòng)的，并針對(duì)每個(gè)熱力學(xué)窗口執(zhí)行。RBFE計(jì)算完成后，通過(guò)活性位點(diǎn)在水溶劑中的自由能變化得RBFE值，煉金術(shù)分析工具用來(lái)審閱輸出，并驗(yàn)證模擬的收斂性，FEP模擬和窗口選擇的質(zhì)量。一旦建立了協(xié)議，就可以共享連接所有設(shè)置、運(yùn)行和分析步驟的工作流。配體在水中或受體活性位點(diǎn)的模擬，都可以在同一個(gè)工作流程中運(yùn)行。工作流確保計(jì)算的可重復(fù)性，可以實(shí)現(xiàn)多配體-蛋白質(zhì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的高通量計(jì)算，并且工作流允許項(xiàng)目主管、合作者或文章評(píng)審者對(duì)模擬進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。

為了進(jìn)一步說(shuō)明BRIDGE如何協(xié)助于藥物發(fā)現(xiàn)，作者以CDK2蛋白的自由能計(jì)算為例。并且采用地理位置遙遠(yuǎn)的資源，使用相同的工作流程計(jì)算，并將所得的RBFE數(shù)值結(jié)果進(jìn)行合并(圖3C)，重現(xiàn)了基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果，其中配體RBFEs在1 kcal/mol的耐受范圍內(nèi)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也匹配很好，說(shuō)明BRIDGE不受地理位置的影響。

圖 3. (A)BRIDGE的界面; (B) RBFE計(jì)算的工作流程; (C)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

圖片來(lái)源于：JCIM

眾多周知，對(duì)于配體糖基轉(zhuǎn)移酶結(jié)合的MD模擬和自由能計(jì)算比大多數(shù)蛋白質(zhì)-配體情況更具挑戰(zhàn)性。而在BRIDGE平臺(tái)中，糖基轉(zhuǎn)移酶建模方面的專業(yè)知識(shí)可以很容易地共享，使用者可以直接采用已經(jīng)由專業(yè)人員創(chuàng)建的協(xié)議，不需要繁瑣的安裝等操作。

為了說(shuō)明使用不同的自由能方法在開(kāi)發(fā)藥物的優(yōu)勢(shì)，作者計(jì)算了β-半乳糖苷α-2,3-唾液酸轉(zhuǎn)移酶I(ST3Gal-I)與潛在的三個(gè)抑制劑小分子的自由能(ΔΔG)，并將計(jì)算結(jié)果與根據(jù)IC50值換算的實(shí)驗(yàn)ΔΔG值進(jìn)行了對(duì)比(圖4)。作者選擇的ST3Gal-I抑制劑具有高度柔韌性和帶電荷的磷酸鹽基團(tuán)，尤其是IN3分子，由于分子柔性很大，ABFE計(jì)算需要大量的計(jì)算資源，并且計(jì)算收斂性差，盡管在NVIDIA Tesla V100上運(yùn)行，都需要16天的時(shí)間。綜合ABFE和RBFE的結(jié)果表明，結(jié)合自由能按照IN3 < IN2 < IN1的順序增加，與先前報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。由于這三個(gè)分子之間的唯一區(qū)別是R基團(tuán)，作者推測(cè)羧酸基團(tuán)對(duì)小分子和蛋白的結(jié)合是必要的。三個(gè)分子中，IN1與蛋白結(jié)合最強(qiáng)，為了解釋這個(gè)原因，可以通過(guò)BRIDGE平臺(tái)上的工具來(lái)分析小分子與蛋白之間的相互作用特征(在本例中是氫鍵作用)以及對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行PCA等分析。這些基本的工具和預(yù)先設(shè)計(jì)的工作流程都可以服務(wù)于先導(dǎo)化合物的優(yōu)化。

圖 4. ST3Gal-I酶與三個(gè)抑制劑小分子的自由能計(jì)算過(guò)程與結(jié)果

圖片來(lái)源于：JCIM

小結(jié)

BRIDGE平臺(tái)的計(jì)算過(guò)程，結(jié)果，自由能計(jì)算分析等會(huì)自動(dòng)保存在歷史記錄中，可用于共享方法，協(xié)議及數(shù)據(jù)，從而重現(xiàn)自由能模擬。作者以ST3Gal-I為例闡述了利用BRIDGE在先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化中的應(yīng)用，可協(xié)助藥物的開(kāi)發(fā)。總的來(lái)說(shuō)，BRIDGE使蛋白質(zhì)-配體結(jié)合自由能計(jì)算變得可訪問(wèn)、可重復(fù)和可共享，可供新手和高級(jí)用戶以及地理位置分散的協(xié)作用戶使用。而且，BRIDGE利用工作流可以實(shí)現(xiàn)自由能高通量篩選方法的自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)

Senapathi, Tharindu, et al. BRIDGE: An Open Platform for Reproducible High-Throughput Free Energy Simulations. J. Chem. Inf. Model.2020

Senapathi, Tharindu, et al. Biomolecular Reaction and Interaction Dynamics Global Environment (BRIDGE). Bioinformatics. 2019 Sep 15;35(18):3508-3509

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總結(jié)

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