金屬蛋白復合物基準測試數據集

在基于結構的藥物設計研究領域，分子對接程序發揮了非常重要的作用。目前，已有超過70個對接程序可供使用。針對具體的研究體系，如何合理的選擇適合的對接程序是每個研究人員都要面臨的問題。金屬蛋白幾乎占到了人類蛋白質組的一半。Emel Timu?in課題組從PDBbind(2017)中獲得了含213個蛋白-配體復合物的非冗余金屬蛋白數據集(圖1)。然后針對7個可以免費獲得的對接程序，在打分 (scoring)、排序(ranking)，結合模式預測(posing)和篩選四方面對分子對接能力進行了比較評估。

圖1. 金屬蛋白數據集構建。(A)以蛋白只含有一個金屬，配體參與金屬配位(小于4?)來精制PDBbind(2017)數據集獲得了710個金屬蛋白-配體復合物(左)，然后進行聚類剔除冗余數據(右)。(B)非冗余的210個金屬蛋白根據分子功能進行PANTHER分類的結果

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七個對接程序的性能測試

研究人員首先對七個對接程序的打分和排序能力進行了分析，如表1所示，這7種對接程序的打分和排序能力都很差。具體地，當根據金屬類型分類分析時可發現，Vina(r = 0.59)，QVina(r = 0.57)和LeDock(r = 0.46)的對接打分與含Ca蛋白子集的親和力數據有較好的正相關，而ADZn的打分對Zn蛋白子集的親和力數據有較好的相關性(表1)，但沒有一個程序能夠成功地對Mg2+和Mn2+子集進行打分或排序。緊接著，他們還專門針對同一蛋白與不同配體結合的情況進行了打分和排序能力評估，測試用的數據集由217個碳酸酐酶組成。在這一數據集下，ADZn和LeDock，具有最好的打分能力(0.61和0.59)，而AutoDock則是表現最差的程序。但這樣的測試數據集只含一種鋅蛋白，有明顯的偏向性，筆者認為不具有太大參考價值。

圖2.?7個對接程序打分和排序性能比較

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結合模式預測能力(即posing power)是指分子對接程序找到天然結合模式(即native state, 晶體結構中的狀態)的能力，一般用預測結構與晶體結構三維結構重疊后計算RMSD值是否小于2?來判斷。如圖3所示，研究人員中從最佳打分(以打分排序)和最佳姿勢(以RMSD從小到大排序)兩個方面來評價該能力。基于最佳打分來評價時(圖3A)，PLANTS和LeDock在所有對接程序中脫穎而出，對接結果中最低能(打分最高)構象有51%能與晶體結構吻合。其次是Vina和QVina，預測準確度分別為43％和40％， AutoDock和ADzn則表現最差僅有20%左右正確玄。而基于最佳結合模式來評價時(圖3B)，除Dock6外其它各類方法整體精度都或多或少有所提高。PLANTS(80%)和LeDock(77%)仍然是表現最好的兩個程序。而無論采用最低能量還是RMSD方法來評價，AutoDock(48％)和ADZn(46％)的結合模式預測能力都是最差的。

圖3. 七個對接程序的結合模式預測能力。(A)最佳打分(最低能量)和(B)最佳結合模式(最低RMSD)的累積曲線。RMSD≤2?認定為正確的預測

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圖4.?7個對接程序篩選性能比較

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隨后研究人員通過分析對于活性配體和非活性(誘餌，decoy)配體的各分子對接軟件的區分能力來評估篩選能力。如表4匯總了ROC曲線下面積(AUC)和富集因子(enrichment factors,?EF)的平均值，整體而言，針對每種金屬蛋白都是PLANTS的AUC值最高。

總結

Emel Timu?in課題組的研究人員選取了7個免費學術分子對接軟件，針對一個非冗余金屬蛋白數據集(213個金屬蛋白)，從打分、排序，結合模式預測和篩選能力四個方面進行了全面的比較評估，研究人員最終提出了對于金屬蛋白分子對接軟件選用的一些見解。但是值得注意的是，配體參與金屬配位的對接是一個極為復雜的問題。不同的金屬，配位情況又有很大差異，比如鋅離子存在4，5，6配位的可能，而大多金屬配位結構都存在水分子參與配位的問題。文章中配體原子與金屬例子以小于4?作為配位依據是很粗糙的，測試數據集中可能會引入根本不配位的情況。另一方面，僅從RMSD是否小于2來判斷預測的結合模式是否一致，通過距離金屬距離最近的三個原子是否和晶體中相同來判斷配位是否一致，這樣做法用于判斷金屬離子的配位其可行性是存在明顯不足的。所以筆者認為，本文得到的結果有一定的參考價值，但是需要謹慎對待。不過考慮到目前對于小分子配體參與金屬配位的分子對接預測算法發展仍然處于初級階段，既沒有統一的測試集，又沒有成熟的評價方法，而原本針對非金屬蛋白的評價方法可供選擇但顯然是不夠的。相信，隨著廣大科研人員的不懈努力，未來該領域有更多新成果出來。

參考文獻：

Süleyman Selim ??naro?lu and Emel Timu?in, Comparative Assessment of 7 Docking Programs on a Non-Redundant Metalloprotein Subset of the PDBbind Refined. 2019,?ASAP, https://doi.org/10.1021/acs.jcim.9b00346

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總結

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