Revista internacional de minería de datos biomédicos
Acceso abierto
ISSN: 2090-4924
ISSN: 2090-4924
Kawano Takayuki y Takeshi Kikuchi
Abstracto
En un proceso de descubrimiento de fármacos , la energía libre de unión entre una proteína y un ligando se evalúa regularmente mediante una estrategia computacional. Estas estrategias a pesar de todo requieren de una mayor mejora, independientemente del desarrollo de nuevos procedimientos. El motivo de esta investigación es montar otra in silicoestrategia con facilidad y sin ajuste de límites. Aquí, calculamos las energías libres restrictivas relativas basadas en el estándar variacional de energías libres (FEVP), con convenciones de minimización y recreación de elementos atómicos. Aplicamos este procedimiento a los marcos inhibidores del ligando de la cinasa 2 dependiente de ciclina (CDK2) de los cuales se tomaron en cuenta los valores de IC50. En el desarrollo de la estructura compleja subyacente, utilizamos algunas estructuras de CDK2 con diferentes ligandos. A partir de los resultados, se descubrió que la técnica FEVP puede anticipar algo con alta precisión.
Un desafío significativo y una aplicación potencial de alto valor de la configuración de fármacos asistida por computadora es la expectativa precisa de afinidades restrictivas de proteína-ligando. La perturbación de la energía libre (FEP) que utiliza la dinámica molecular (MD) es una de las mejores formas de abordar las expectativas de energía libre restrictivas exactas, debido a la estructura medible completa del procedimiento, la representación correcta de la energía y el tratamiento exhaustivo de la grados significativos de oportunidad en el marco (contando aguas inequívocas). Los últimos avances en técnicas de prueba y campos de potencia combinados con enormes incrementos en activos computacionales han hecho de FEP una innovación factible para impulsar hit-to-lead y mejora de leads. teniendo en cuenta patrones cada vez más competentes de la ciencia restaurativa y la posibilidad de investigar espacios compuestos mucho más grandes. Sin embargo, las aplicaciones anteriores de FEP se han concentrado en marcos con estructuras de gemas de alto nivel del objetivo como etapas iniciales, algo que generalmente no está disponible en los proyectos de revelación de tranquilidad. En consecuencia, la capacidad de aplicar FEP en modelos de homología extendería increíblemente el espacio de pertinencia de FEP en divulgación tranquila. En este trabajo, aplicamos un uso específico de FEP, llamado FEP+, en la disposición oficial de ligandos congéneres a cuatro enfoques diferentes: una quinasa (Tyk2), un bromodominio epigenético (BRD4), un GPCR transmembrana (A2A) y una proteína-proteína. interfaz de colaboración (BCL-2 Las aplicaciones anteriores de FEP se han concentrado en marcos con estructuras de gemas de alto nivel del objetivo como etapas iniciales, algo que generalmente no está disponible en los proyectos de revelación de tranquilidad. En consecuencia, la capacidad de aplicar FEP en modelos de homología extendería increíblemente el espacio de pertinencia de FEP en divulgación tranquila. En este trabajo, aplicamos un uso específico de FEP, llamado FEP+, en la disposición oficial de ligandos congéneres a cuatro enfoques diferentes: una quinasa (Tyk2), un bromodominio epigenético (BRD4), un GPCR transmembrana (A2A) y una proteína-proteína. interfaz de colaboración (BCL-2 Las aplicaciones anteriores de FEP se han concentrado en marcos con estructuras de gemas de alto nivel del objetivo como etapas iniciales, algo que generalmente no está disponible en los proyectos de revelación de tranquilidad. En consecuencia, la capacidad de aplicar FEP en modelos de homología extendería increíblemente el espacio de pertinencia de FEP en divulgación tranquila. En este trabajo, aplicamos un uso específico de FEP, llamado FEP+, en la disposición oficial de ligandos congéneres a cuatro enfoques diferentes: una quinasa (Tyk2), un bromodominio epigenético (BRD4), un GPCR transmembrana (A2A) y una proteína-proteína. interfaz de colaboración (BCL-2 la capacidad de aplicar FEP sobre modelos de homología extendería increíblemente el espacio de pertinencia de FEP en divulgación serena. En este trabajo, aplicamos un uso específico de FEP, llamado FEP+, en la disposición oficial de ligandos congéneres a cuatro enfoques diferentes: una quinasa (Tyk2), un bromodominio epigenético (BRD4), un GPCR transmembrana (A2A) y una proteína-proteína. interfaz de colaboración (BCL-2 la capacidad de aplicar FEP sobre modelos de homología extendería increíblemente el espacio de pertinencia de FEP en divulgación serena. En este trabajo, aplicamos un uso específico de FEP, llamado FEP+, en la disposición oficial de ligandos congéneres a cuatro enfoques diferentes: una quinasa (Tyk2), un bromodominio epigenético (BRD4), un GPCR transmembrana (A2A) y una proteína-proteína. interfaz de colaboración (BCL-2familiaproteína MCL-1). Aplicamos FEP+ utilizando estructuras de piedras preciosas y modelos de homología como etapas iniciales y descubrimos que la presentación que utiliza modelos de homología es en su mayor parte estándar con los resultados cuando se utilizan estructuras de gemas. El poder de las figuras para las variedades auxiliares en los modelos de información se puede atribuir casi con seguridad a las pruebas de conformación en las recreaciones de elementos subatómicos, lo que permite que el receptor demostrado se ajuste a la conformidad "genuina" de cada ligando en la disposición. Este trabajo representa las ventajas de utilizar estrategias de recreación all-iota con adaptabilidad total del marco y ofrece garantía para la utilización general de FEP para modelos de homología.
Introducción
La predicción confiable de las energías restrictivas de proteína-ligando es uno de los grandes desafíos en el campo de la estructura de medicamentos respaldada por PC, y los pronósticos exactos podrían ayudar a acelerar los esfuerzos de divulgación. En el transcurso de las últimas décadas se han creado una gran cantidad de técnicas para anticipar la vitalidad libre de la autoridad, o las propiedades que le corresponden. Estas estrategias van desde metodologías computacionales razonables como la demostración y el acoplamiento de QSAR hasta las más serias desde el punto de vista computacional, como la mecánica cuántica (QM) y los recuentos de elementos atómicos (MD). Cálculos de vitalidad sin catalíticos, para los cuales numerosos artículos sorprendentesse han distribuido a lo largo de los años, 3–8 se encuentran entre las estrategias computacionalmente serias con la garantía de resultados sólidos y exactos. Una de estas metodologías, la molestia de vitalidad libre (FEP) depende del sistema hipotético presentado previamente por Zwanzig en 1954 y ha asumido un trabajo conspicuo en el campo. FEP ofrece una estructura completa para el procesamiento de energías libres (relativa o total) y solo está limitada en precisión por la culminación de las pruebas de conformación y la exactitud del campo de energía básico utilizado para mostrar las conexiones entre la totalidad de las moléculas en el marco, incluyendo disoluble. FEP se puede utilizar para calcular contrastes relativos al restringir el gusto por una disposición congenérica de ligandos, lo que reduce la medida de la inspección que se espera para obtener los resultados esperados en comparación y el procesamiento de las energías restrictivas absolutas para cada ligando de forma independiente. En la mejora del plomo de revelación tranquila, la previsión de contrastes de vitalidad relativa entre ligandos similares a fin de organizar átomos para la unión e investigar nuevos espacios de mezcla es a menudo un objetivo esencial.
El enfoque de FEP depende de la inspección de la estructura proteína-ligando (comúnmente utilizando elementos atómicos o Monte Carlo) para adquirir energías de la compañía conformacional completa de la estructura mientras el ligando se "molesta" en varios pasos, comenzando con una partícula y luego con la otra. luego, normalmente a través de un cambio catalítico. La vitalidad libre completa del cambio se adquiere mediante el examen de los cambios en la vitalidad probable en la vía catalítica entre las partículas subyacentes y últimas. La estrategia considera expresamente la adaptabilidad conformacional de todo el entramado (receptor, ligando y soluble) a una temperatura predeterminada, representando así la entalpía y entropía oficial, y de esta manera es una metodología atractiva para el procesamiento de energías libres. En todo caso,comercio u otras ejecuciones), y dificultades especializadas relacionadas con la preparación para la acción empleos de FEP, solo se han distribuido informes narrativos de aplicaciones de cálculos de energía sin catalizadores para un número determinado de clases objetivo con no muchos ligandos en el transcurso de las últimas décadas. . Afortunadamente, las pruebas han mejorado significativamente en los últimos tiempos con la accesibilidad de los códigos de elementos atómicos que aumentan repentinamente la demanda de unidades de preparación de ilustraciones ampliamente útiles (GPGPU), que pueden ofrecer una velocidad de más de cien veces en comparación con una CPU. Además, los puntos focales lógicos y especializados (que se muestran a continuación) han permitido que FEP se aplique en verdaderos proyectos de descubrimiento de medicamentos con un rendimiento y una precisión lo suficientemente altos como para mejorar la efectividad de las actividades.
Material y método
Todos los cálculos se realizaron utilizando la suite de demostración atómica de Schrödinger (versión 2015-2). Todas las estructuras de proteínas se obtuvieron del banco de datos de proteínas (PDB) y se organizaron utilizando el asistente de preparación de proteínas. En esta progresión, se designan los tipos de iota del campo de energía y los órdenes de enlace, se incluyen los iotas que faltan, se relegan los estados de tautómero/ionización, se examinan las direcciones del agua, se giran las acumulaciones de Asn, Gln e His para avanzar en la disposición del enlace de hidrógeno, y se obliga a se realiza la minimización de la vitalidad. Se retuvieron todas las partículas de agua de gemas sedimentadas. Para la estructura A2A (código PDB 4eiy), se evacuó la sección b(562)RIL (un apocitocromo termoestable utilizado para equilibrar el GPCR para la cristalización) y se incluyó el tercer círculo intracelular faltante utilizando Prime.
Las estructuras de ligandos, al igual que la información de estimación de la afición, se adquirieron a partir de la escritura. Para BRD4, la información de Vidler et al. además, Filippakopoulos et al. se unieron con información de cariño para una serie de mezclas inéditas. La información sobre ligandos y restricciones para MCL-1 se obtuvo de Friberg et al. La información de Tyk2 se obtuvo de Liang et al. La información de GPCR se obtuvo de la escritura de Minetti et al. Por último, la información para el sitio de restricción del modelo de lisozima T4 fue retratada por Mobley et al.
Las estructuras se montaron con LigPrep incorporando una minimización con el campo de potencia OPLS3. Todos los focos quirales se mantuvieron como se indica en el escrito. Se produjo un cumplimiento del anillo de vitalidad bajo por compuesto. Los estados de ionización y las estructuras de los tautómeros se especificaron a pH 7,0 ± 2,0 con Epik. El dispositivo Force Field Builder (FFBuilder), que es una parte del paquete FEP+, se utilizó para crear de forma natural los límites torsionales exactos del campo de potencia obtenidos de la mecánica cuántica para todos los ligandos que contienen bases que no están completamente aseguradas por los límites OPLS3 estándar. FEP+ es accesible para establecimientos comerciales, legislativos, benéficos y académicos de Schrödinger.
Resultados y discusión
Antes de realizar los estudios de modelado de homología, llevamos a cabo un estudio subyacente para explorar la afectación de FEP+ que restringe las expectativas de energía libre a las direcciones de la estructura receptora inicial. Para esta parte de la investigación, elegimos el monstruo L99A de la lisozima T4, que contiene una depresión no polar construida y cubierta.y ha sido objeto de algunos exámenes computacionales. Para nuestras recreaciones FEP+, utilizamos tres estructuras únicas obtenidas del PDB (códigos: 181l, 2oty y 184l) que tienen gemas de alto objetivo (1,8 Å). Los contrastes básicos generales, y especialmente las diferencias en el sitio de acoplamiento, son insignificantes pero al mismo tiempo lo suficientemente grandes como para investigar la afectación de FEP+ a pequeñas variedades auxiliares en la estructura de información (ver la Tabla 1 para detalles). Esta es una prueba vital antes de continuar con la instancia de más pruebas de ejecutar FEP en modelos de homología. Por lo tanto, si los resultados de FEP contrastan por completo para estructuras de receptores similares, en ese momento no habría necesidad de explorar los casos de modelo de homología de más pruebas hasta que se hayan solucionado los problemas de investigación de la estructura de la piedra preciosa.
Para las tres estructuras del receptor de lisozima T4, utilizamos una colección de información de 13 ligandos con pruebas conocidas que restringen las energías libres adquiridas a partir de la escritura. Los ligandos se dispusieron y colocaron en el hoyo de acoplamiento como se establece en el segmento de Materiales y Métodos. Se produjo un gráfico de cambio de FEP+ para interconectar la totalidad de los ligandos a través de vías de molestia y, en consecuencia, se realizaron los recuentos. Los resultados para cada uno de los tres marcos fueron excepcionalmente proféticos (alta conexión entre las energías libres restrictivas exploratorias y registradas, inclinación cercana a la solidaridad y bajo error) para este acuerdo de datos. El mayor error cuadrático medio (RMSE) para el receptor 184l surge de tres expectativas impotentes (todas incluidas la n-metilanilina); todas las demás molestias son de la misma precisión con respecto a las siguientes estructuras receptoras. El índice predictivo (PI), tal como lo describieron inicialmente Pearlman y Charifson, también se determinó para todas las expectativas presentadas en este trabajo. El trabajo de PI incorpora un término de ponderación que se basa en el contraste entre las estimaciones de prueba de dos partículas (An y B), que refleja la forma en que una capacidad decente debería tener la opción de distinguir entre cambios que provocan grandes diferencias en autoridad. Tal medida está más calificada para medir la capacidad de una estrategia para prever con precisión mejores y más terribles sujetadores, lo que es excepcionalmente pertinente en una situación de plan de medicación. Para los casos de lisosima T4, el PI es básicamente equivalente para cada uno de los tres modelos de receptores concentrados aquí. Estos resultados para la lisozima T4 muestran que se pueden obtener resultados comparables cuando se ejecuta FEP+ en varias estructuras de información. A la luz de estos resultados de empoderamiento, nos dispusimos al punto esencial de este examen: explorar la presentación de FEP+ en modelos de homología.
Conclusiones
En este trabajo, hemos demostrado el uso fructífero de los cálculos de energía libre de restricción relativa, como se ejecuta en el paquete FEP +, para modelos de homología que utilizan una convención de juego individual en una disposición de pocos átomos pequeños y otros objetivos de proteínas. Utilizando la estrategia FEP+, encontramos un alto nivel de consistencia; a decir verdad, en general, concentrados aquí, no vemos una gran corrupción.en los resultados al pasar de una estructura de piedra preciosa a un modelo de homología. La homología de los diseños con los objetivos pasó de alta (80 % proteína entera, 91 % en el sitio de acoplamiento) a baja (22 % proteína entera, 21 % en el sitio de acoplamiento), recomendando un amplio espacio objetivo que podría tender a con enfoques como FEP+, en lugar de simplemente utilizar según las estructuras de las gemas. Por supuesto, si los enfoques sin estructuras de piedras preciosas y un homólogo sensiblemente cercano pudieran ser razonables para los recuentos de FEP +, ampliaría el espacio de objetivos abiertos por completo. Esto está de acuerdo con los descubrimientos de Genheden en dos objetivos únicos que utilizan una convención alternativa de reproducción de energía libre, lo que respalda la especulación de que las técnicas de energía libre pueden ser excepcionalmente proféticas en modelos de homología. Dado el amplio alcance de las clases objetivo analizadas aquí y en trabajos anteriores, se agrega la certeza de que este extremo permanecerá constante para los marcos de proteínas que aún no se concentran con FEP+. En cualquier caso, no todos los marcos funcionarán y se debe tener una consideración extraordinaria para ensamblar modelos de homología exactos. Por ejemplo, Genheden encontró que una adaptación inexacta del círculo para uno de los modelos provocó críticascorrupción de los resultados. Del mismo modo, observamos errores mucho más grandes en los pronósticos para el marco GPCR concentrado aquí, donde no todos los círculos cerca del sitio de acoplamiento probaron la adaptación correcta.
Si bien los resultados presentados aquí son empoderadores, hay algunos puntos importantes a tener en cuenta que probablemente provocaron las expectativas de energía libre restrictivas sorprendentemente poderosas que vimos. Inicialmente, se utilizó un modo de restricción decente como etapa inicial para todas las figuras FEP+. A veces, las posturas se adquirieron directamente desde el acoplamiento como nivel alto, lo que significa que podrían haber sido elegidas en una empresa real sin predisposición del cliente. Sea como fuere, en las situaciones en las que la postura de nivel más alto no era la correcta, no buscamos ejecutar FEP+ en posturas incorrectas porque el tiempo de reproducción de nuestros cálculos probablemente sea inadecuado para probar modos de restricción fundamentalmente únicos con alto progreso vigoroso fronteras entre los estados. Todas las cosas consideradas, utilizamos numerosas convenciones de acoplamiento, algunas de las cuales incluían imperativos y adaptabilidad de proteínas, y elegimos la representación de mayor puntuación que estaba dentro de 2,0 Å de la estructura de piedra preciosa como etapa inicial para los cálculos de FEP+. Creemos que esta es una opción sensata y, de hecho, la mayoría de los proyectos de divulgación de medicamentos en las etapas hit-to-lead o lead upgrade contienen SAR y también información sobre mutagénesis que tiene en cuenta una determinación cada vez más informada sobre la mejor postura de un grupo de presentes de acoplamiento. . Sin duda, en todos los casos aquí la postura elegida estuvo dentro de los cinco principales regalos de puntuación. Clark et al.61 recientemente detallaron una estrategia mejorada de expectativa de postura que consolida el acoplamiento habitual (Glide) y el acoplamiento de ajuste inducido (IFD) con metadinámica para elegir la mejor postura. Se acerca de esta manera,