蛋白-小分子对接(含同源建模)

蛋白-小分子对接（含同源建模）

1.项目说明

采用同源模建方法构建单链抗体（以下简称“抗体”）的三维结构，通过分子对接方法预测化合物的结合模式（图 1）。

图1.化合物两种构型的化学结构

2.计算方法

本研究采用的计算方法简述如下（详见《计算方法》文档）：

A.采用在线工具PIGSPro预测抗体的三维结构，通过分子动力学模拟优化结构；

B.采用在线工具POCASA 1.1预测优化的抗体结构上潜在的结合位点；

C.采用DOCK 6.7将化合物对接到各个预测位点中，根据打分和结合模式，挑选最佳的结合模式进行分析。

3.结果分析

A.同源模建

采用在线工具PIGSPro

（http://cassandra.med.uniroma1.it/AbPrediction/web/）对抗体进行同源模建。首先进行序列比对，采用单序列模式，从已知三维结构的数据库中分别针对L链和H链搜索序列相似的蛋白质结构。L链的模板为XXX，H链的模板为XXX和XXX。序列比对如下（保密需要，部分数据不公开）：

Light Chain Target - Template alignment：

Heavy Chain Target - Template alignment：

初步建立的三维结构如下图（图2）所示。抗体由L链和H链构成，两链的接触面中部形成环桶状结构，与文献结果一致。与模板蛋白不同的抗体氨基酸区域（L链：NX-X、DX-SX、GX-FX，H链：GX-YX、SX-YX、GX-DX）集中在该环桶状结构的一端及周围，提示该区域为抗体识别抗原和半抗原的位点。

对结构进行质量评估，包括：Ramachandran图和Verify3D。Ramachandran 图结果（图3）表明，170个氨基酸（89.0%）落入最大偏好的区域（most favoured regions），17个氨基酸（8.9%）落入额外允许区域（additional allowed regions），3个氨基酸（1.6%）落在宽松允许区域（generously allowed regions），只有1个氨基酸ThrXL（0.5%）落在了非允许区域（disallowed region）。Verify3D检验要求至少80%的氨基酸的平均3D-1D打分不小于0.2，分析结果表明，L链全部氨基酸的打分均大于0.2，而H链99.12%的氨基酸残基打分大于0.2。因此，采用同源模建方法构建的抗体结构较为合理。

图2.抗体的同源模建三维结构：

绿色为H链，蓝色为L链，洋红色为与模板蛋白不同的抗体氨基酸区域。

图3.抗体结构优化前后的Ramachandran图

B.动力学优化

采用同源模建方法构建的抗体三维结构仍然存在一些质量问题，比如L链的ThrX落在非允许区域内，H链的ArgX、LysX和GluX落在宽松允许区域。其中，LysX和GluX位于环桶状区域内，GluX可能是抗体的识别位点之一。因此，我们采用分子动力学模拟方法对结构进行优化。

我们采用Gromacs 2016在水溶液中进行了10 ns的动力学模拟。骨架C原子的RMSD曲线表明（图4），体系已经达到平衡状态。基于RMSD的聚类分析表明，蛋白质各帧构象非常相似（RMSD < 0.15nm），全部帧落入同一簇中，因此，采用最后一帧的构象作为抗体的最终优化结构。

Ramchandran质量评估结果表明（图3），原出于非允许区域和宽松允许区域的氨基酸残基均得到优化。Verify3D结果也表明，L链全部氨基酸残基合格，H链99.12%的氨基酸残基合格。因此，该结构已得到优化，可用作分子对接。

图4.分子动力学模拟RMSD图

C.结合位点预测

在优化的抗体结构基础上，采用POCASA

（http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g6/service/pocasa/）在线工具预测结合位点。结果表明（图 5），抗体存在4个可能的结合位点（Site 1-4），其中Site 1-3位于环桶状结构区域开口同一侧，Site 4位于另一侧。Site 4体积最小，不足以容纳小分子，我们认为该区域为伪位点。因此，我们选取Site 1-3作为分子对接的3个潜在的结合位点。

图5.抗体的预测结合位点

综上所述，抗体通过氢键、π-π堆积、π-阳离子作用、卤键及疏水作用等相互作用特异性地识别化合物，而针对不同构型的化合物，识别模式有一些区别。

图6.化合物R构型（A）和S构型（B）在抗体Site 1的结合模式：

抗体以泥绿色（smudge）卡通（cartoon）形式表示，关键残基以麦色（wheat）棍状（stick）表示，化合物则以绿色（green）棍状表示；蓝色虚线表示氢键，绿色虚线表示卤键，橙色虚线表示π-π堆积，黄色虚线表示π-阳离子相互作用，灰色虚线表示疏水作用。