基于受體和配體的虛擬篩選整合平臺(tái)研究*

孫銀雪

(吉林師范大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，吉林 四平 136000)

基于受體和配體的虛擬篩選整合平臺(tái)研究*

孫銀雪

(吉林師范大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，吉林 四平 136000)

虛擬篩選是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的最重要方法之一，可分為基于受體虛擬篩選和基于配體虛擬篩選兩種方法.根據(jù)蛋白靶標(biāo)結(jié)構(gòu)是否已知，選擇基于配體的虛擬篩選方法和基于受體的虛擬篩選方法進(jìn)行篩選.近幾年隨著藥物研究的新方法和新技術(shù)的發(fā)展，分子對接和藥效團(tuán)搜索,以及定量構(gòu)效關(guān)系模型成為虛擬篩選的幾個(gè)重要方法，目前已經(jīng)有一些軟件平臺(tái)發(fā)布并且應(yīng)用到虛擬篩選過程中.比如Dock6.5、PharmarGist、Autodock等等.該文整合并開發(fā)了一個(gè)既基于受體又可以基于配體進(jìn)行虛擬篩選的平臺(tái)，設(shè)計(jì)的總體思想是基于一個(gè)分子圖形界面，整合Dock6.5、PharmarGist、聚類方法，以及定量關(guān)系模型等輔助軟件，實(shí)現(xiàn)并完成了基于受體和配體的虛擬篩選流程.

虛擬篩選；受體；配體；分子對接；藥效團(tuán)搜索；定量關(guān)系模型

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)[1]是利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算、邏輯判斷、圖形顯示等功能進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)的技術(shù)，它涉及多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)、方法和成果，其中包括物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等.它可以分為基于配體的藥物設(shè)計(jì)方法和基于蛋白靶點(diǎn)的藥物設(shè)計(jì)方法[2].目前為止，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的藥物設(shè)計(jì)方法，同時(shí)它也成功發(fā)現(xiàn)了針對某種疾病的藥物分子，例如HIV蛋白酶抑制劑Indinavir(已上市)的設(shè)計(jì)、老年癡呆癥藥物E2020的開發(fā)(已上市)、唾液酸酶抑制劑的設(shè)計(jì)(已上市)等.

虛擬篩選[3]是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一.廣義地講，只要是基于某種問題形式的數(shù)據(jù)庫篩選方法都可以稱為虛擬篩選，比如基于藥效團(tuán)的數(shù)據(jù)庫搜索、基于定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)的數(shù)據(jù)庫搜索、基于分子對接的數(shù)據(jù)庫搜索等.它的目標(biāo)是在化合物數(shù)據(jù)庫中，發(fā)現(xiàn)具成藥性的先導(dǎo)化合物，降低實(shí)驗(yàn)篩選化合物數(shù)量，縮短研究周期，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi).它一般可以分為基于受體和配體的虛擬篩選兩種形式，基于配體的虛擬篩選是通過對已知具有藥物活性一組化合物的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)與生物活性的分析，建立合適的提問結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行小分子數(shù)據(jù)庫的搜索，如基于藥效團(tuán)模型的虛擬篩選.基于受體的虛擬篩選主要是指通過分析受體的三維結(jié)構(gòu),找到作用位點(diǎn)，根據(jù)小分子與作用位點(diǎn)的相互作用，如靜電作用、疏水作用和氫鍵作用來評價(jià)篩選出真正的先導(dǎo)化合物.

1 虛擬篩選平臺(tái)使用的主要底層軟件

1.1 USCF Dock 6.5

UCSF Dock6.5是基于受體的虛擬篩選軟件，它是第一個(gè)由加利福尼亞州立大學(xué)舊金山分校的Kuntz小組于1982年開發(fā)的分子對接程序，是目前應(yīng)用最為廣泛的分子對接程序之一[4].它從最初的只能實(shí)現(xiàn)剛性對接的Dock1.0發(fā)展到可以實(shí)現(xiàn)柔性配體對接的且具有高效計(jì)算性能的Dock6.5.在它的計(jì)算過程中，通過計(jì)算打分函數(shù)來評價(jià)對接的正確性，如果分?jǐn)?shù)越高，分子的活性作用力就越大，根據(jù)不同的分子結(jié)構(gòu)可以選擇多種打分方式，包括氫鍵打分函數(shù)、GB/SA、PB/SA打分函數(shù)和能量打分函數(shù)等.

1.2 PharmaGist

PharmaGist[5]是一種基于藥效團(tuán)模型的虛擬篩選程序，它是一個(gè)基于web的數(shù)據(jù)庫搜索系統(tǒng)，網(wǎng)址是：Http://bioinfo3d.cs.tau.ac.il/PharmaGist.首先將已獲取的一組有活性的化合物的結(jié)構(gòu)輸入到系統(tǒng)中，然后對這些化合物的結(jié)構(gòu)，以及物理化學(xué)特性進(jìn)行讀取和分析，采用多柔性疊合的方法計(jì)算出候選藥效團(tuán)模型.它的特點(diǎn)是在整個(gè)計(jì)算過程中考慮了輸入的配體分子的柔性.

1.3 DemQSAR

DemQSAR是一種基于定量構(gòu)效關(guān)系分析的分類和回歸程序.要想運(yùn)行DemQSAR 程序，需要建立java運(yùn)行環(huán)境(JRE)，1.6版本或更高.DemQSAR的輸入數(shù)據(jù)是CDK庫中的用來描述各種分子指紋和定量構(gòu)效關(guān)系的描述符，得到的結(jié)果會(huì)自動(dòng)存入一個(gè)文件夾中，不僅可以得到回歸和ROC曲線圖，也會(huì)得到包含預(yù)測屬性值的SDF文件.

2 虛擬篩選平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

2.1 軟硬件環(huán)境

本系統(tǒng)軟硬件環(huán)境是Red hat5系統(tǒng)下，運(yùn)行在Pymol開源的分子圖形顯示軟件，英特爾處理器，8個(gè)CPU, 2.83GHz, 3GB內(nèi)存.

2.2 功能描述

在系統(tǒng)中，虛擬篩選的第一個(gè)步驟是對各個(gè)參數(shù)配置，即定義每一個(gè)軟件的運(yùn)行路徑.基于分子對接的虛擬篩選首先要對受體和化合物數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，包括對受體的加氫鍵、加電荷、質(zhì)子化、刪除溶劑分子和定義受體結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)合位點(diǎn)要使用DMS、Sphgen、Sphere_selector程序生成，化合物數(shù)據(jù)庫一般可以從ZINC數(shù)據(jù)庫中獲得；第二步是使用UCSF Dock6.5中的Grid模塊來生成網(wǎng)格.最后，選擇評分函數(shù)中的一個(gè)，運(yùn)行對接程序，對結(jié)果進(jìn)行排序.

基于藥效團(tuán)的虛擬篩選首先要生成和選取藥效團(tuán)模板，它的過程是首先上傳配體分子的mol2文件，包含的分子數(shù)量不能超過32個(gè)，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，其中包括輸出候選藥效團(tuán)的數(shù)量、旋轉(zhuǎn)分子的設(shè)定等.運(yùn)行程序輸出打分高的藥效團(tuán)模板.

定量構(gòu)效關(guān)系的過程是輸入訓(xùn)練集和測試集分子，執(zhí)行虛擬篩選命令，輸出日志文件，尋找QSAR軟件所在位置和運(yùn)行所需的參數(shù)文件，執(zhí)行并輸出結(jié)果.平臺(tái)界面如圖1所示.

2.3 具體實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Perl腳本語言編寫，主要實(shí)現(xiàn)增加4個(gè)功能模塊，分別為受體和配體準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)庫輸入模塊、基于受體的篩選和基于配體的篩選.系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示.

圖1 平臺(tái)界面

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

本系統(tǒng)的構(gòu)成包括三層：應(yīng)用層、類界面層、軟件實(shí)體層.系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)主要有以下幾個(gè)類：

①Platform 類.Platform類實(shí)現(xiàn)了圖形界面化的建立，以及與各個(gè)程序的連接，是系統(tǒng)的核心類.主要包含配置，受體和配體的準(zhǔn)備，基于受體的虛擬篩選，基于配體的虛擬篩選，數(shù)據(jù)庫管理等功能模塊.

②Thread_run 類.在Linux 系統(tǒng)下按照程序執(zhí)行的先后順序，通過建立Thread_run類來分配線程，調(diào)用shell命令執(zhí)行某個(gè)程序，在執(zhí)行的每個(gè)過程中都會(huì)顯示程序執(zhí)行的進(jìn)度和結(jié)果等信息.

③二維表格建立(ScoreTable、PharmaTable、QsarTable)類.為方便分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在平臺(tái)中將建立一個(gè)表格顯示結(jié)果，因此建立ScoreTable 類、PharmaTable 類、QsarTable類，分別為分子對接、藥效團(tuán)搜索、定量關(guān)系搜索的結(jié)果進(jìn)行排序和顯示.

3 結(jié)語

本文開發(fā)了一個(gè)基于配體和受體的虛擬篩選平臺(tái)，將PharmaGist、Qsar、USCFDock6.5軟件整合在Pymol分子圖形顯示軟件下，利用Python語言編寫插件將其他分子預(yù)處理的軟件加入到同一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了在受體或配體未知的情況下進(jìn)行化合物小分子的篩選，得出類藥性的活性小分子，減少了大量生物實(shí)驗(yàn)的麻煩，虛擬實(shí)現(xiàn)了化合物小分子的篩選，可為進(jìn)一步的生物實(shí)驗(yàn)提供依據(jù).

[1]葉德永．計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)導(dǎo)論[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:20-26.

[2]李洪林，沈建華，羅小民．虛擬篩選與新藥發(fā)現(xiàn)[J]．生命科學(xué),2005,17(2):2-3．

[3]徐筱杰,侯延軍,喬學(xué)斌.計(jì)算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004:152-156.

[4]趙麗琴,肖海軍,李松.分子對接在基于結(jié)構(gòu)藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].生物物理報(bào),2002，9(1):3-18.

[5]陳凱先.計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)-原理、方法及運(yùn)用[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2000:12-16.

(責(zé)任編輯:王前)

The Study of Virtual Screening Integration Platform Based on the Receptor and the Ligand

SUN Yin-xue

(InformationNetworkingCenter,JilinNormalUniveristy,Siping,Jilin136000,China)

In this paper, a virtual screening integration platform based on the receptor and the ligand is studied. It is the integration of dock6.5 , pharmargist, clustering and quantitative relationship model. The process of virtual screening based on the receptor and the ligand is achieved.

virtual screening; receptor; ligand; molecular docking; pharmacophore search; quantitative relationship model

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.08.003

2015-03-25

孫銀雪，女，吉林長春人，吉林師范大學(xué)長春校區(qū)網(wǎng)絡(luò)信息科科員.

TP39

A

1008-7974(2015)04-0007-03