Применение методов молекулярного моделирования для разработки новых лекарств (1104483), страница 2
Текст из файла (страница 2)
На этомосновании предложен комбинированный метод молекулярного моделирования,включающийвсебядокинг(программаSOL)всовокупностиспостпроцессингом в рамках квантово-химического полуэмпирического метода PM7(программный пакет MOPAC). Такой комбинированный метод дает возможностьэффективно предсказывать ингибирующую активность низкомолекулярных лигандовдля заданных белков-мишеней.4. Найденные на основе методов молекулярного моделирования новые соединения,ингибирующие урокиназу и PAK1, в экспериментах in vitro, демонстрируютмикромолярную (ингибиторы урокиназы) и субмикромолярную (ингибиторы PAK1)активность.Личный вклад диссертанта заключается в сборе и анализе литературныхданных, разработке путей решения поставленных задач, отработке и тестированииметодов докинга и постпроцессинга применительно к выбранным мишеням,проведении скрининга баз данных готовых соединений, анализе результатов ивыдвижении предположений о возможной структуре новых ингибиторов белковурокиназыиPAK1,проведениивычисленийполуэмпирическимиметодамиквантовой химии в программном комплексе MOPAC, интерпретации результатов,7подготовке публикаций и докладов по теме диссертационной работы.
Все результаты,составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно.Апробацияработыипубликации.Материалыдиссертациибылипредставлены на международной конференции "Ломоносов" (Москва, 2009), нанаучных конференциях «Ломоносовские чтения» (Москва, 2011, 2013 гг.), наМосковском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективыразвития» (Москва, 2011), на XIX Российском национальном конгрессе "Человек илекарство"(симпозиум«Биоинформатикаикомпьютерноеконструированиелекарств», Москва, 2012), на IV съезде фармакологов России «Инновации всовременной фармакологии» (Казань, 2012), на 2-ом Русско-Французском семинарепо хемо- и биоинформатике (2nd French-Russian Workshop on Chemoinformatics andBioinformatics, Казань, 2012), на 224-ой национальной конференции Американскогохимического общества (244th ACS National Meeting, Филадельфия, Пенсильвания,2012).Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатныхизданиях, в том числе в 5 статьях в изданиях из перечня ведущих рецензируемыхнаучных журналов и изданий ВАК РФ, в 8 тезисах докладов на конференциях и в 2сборниках трудов.Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключенияи списка цитируемой литературы из 154 наименований. Работа изложена на 155страницах машинописного текста и включает 21 рисунок и 26 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫПервая глава содержит описание современных методов рациональнойразработки лекарственных средств, в частности, докинга. Рассмотреныспособыпозиционирования лигандов в активном центре белка, способы представления белкапри моделировании активного центра, а также методы расчета энергий связываниябелок-лиганд.
Представлены сведения о роли в организме и о структурах белковурокиназы и протеинкиназы PAK1.Вовторойглавеподробнорассматриваютсяметодымолекулярногомоделирования, которые использовались в данном исследовании для разработкиновых ингибиторов. К ним относятся сеточный и прямой докинг, а также8постпроцессингврамкахсиловогополяMMFF94иврамкахметодовполуэмпирической квантовой химии.В параграфе 2.1 рассматривается реализация сеточного докинга в программеSOL. Описаны приближения, используемые в программе и позволяющие ускоритьвремя расчетов, такие как: представление белка в виде жесткой сетки потенциалов,объединение некоторых типов атомов, отсутствие локальной оптимизации положенийатомов лиганда в процессе докинга.
Энергия десольватации также вычисляется припомощи упрощенной Обобщенной модели Борна таким образом, чтобы нелокальнуюзадачу электростатического экранирования свести к локальным потенциалам на сетке.В результате функция оценки энергии взаимодействия белка и лиганда(скоринг-функция)программыSOLвыглядитследующимобразом:ΔE = αEVdW + β E ES + β EGB − lig − prot + γEGB − prot − prot + δEGB −lig −lig + μN tors ,гдеEVdW,взаимодействияEES–энергияван-дер-ваальсовогоимежду протеином и лигандом, описываемая(1)электростатическогов рамках моделисилового поля MMFF94, Ntors – число торсионных степеней свободы лиганда, α, β, γ, δ,μ – коэффициенты, EGB-lig-prot, EGB-prot-prot, EGB-lig-lig – части энергии взаимодействия срастворителем в рамках упрощенного Обобщенного Борновского приближения.Также приведено описание генетического алгоритма, с помощью которогоосуществляется поиск глобального минимума энергии связывания, и указаныпараметры, которые влияют на его работу.В параграфе 2.2.
приведено описание постпроцессинга в программе DISCORE,задачей которой является более точное вычисление энергии взаимодействия белка илиганда за счет отказа от упрощений программы SOL, приведенных выше. В рамкахпрограммы DISCORE проводится локальная оптимизация лиганда в силовом полеMMFF94, при которой могут оставаться подвижными как атомы лиганда, так и атомыбелка. Энергия взаимодействия белок-лиганд вычисляется по формуле:ΔGbind = k1ΔGCoulomb + k 2 ΔGVdW + k3 ΔG pol + k 4 ΔGnp + k5 ΔGLS + k 6 0.33NTORS + k 7 ΔGrot −tr (2)где ΔGcoulomb – энергия прямого кулоновского взаимодействия зарядов лиганда ипротеина, ΔGVdW – энергия прямого ван-дер-ваальсового взаимодействия, ΔGpol и ΔGnp– полярный и неполярный вклады в энергию десольватации, соответственно, ΔGLS –энергия внутренних напряжений лиганда, k6*0,33NTORS – энтропийная составляющая,обусловленная замораживанием внутренних торсионных степеней свободы лиганда9при его связывании с мишенью, NTORS – число внутренних торсионных степенейсвободы, ΔGrot-tr – свободная энергия, обусловленная замораживанием присвязывании степеней свободы, отвечающих за вращение и трансляцию лиганда какцелого (это энтропийный вклад), ki (i =1,…, 7) – безразмерные подгоночныекоэффициенты.
Полярный вклад в энергию десольватации в рамках программыDISCORE может быть рассчитан с помощью одной из трех континуальных моделейрастворителя (PCM, COSMO или SGB).В параграфе 2.3 рассмотрены нюансы полуэмпирических квантово-химическихрасчетов в программном комплексе MOPAC.
Рассмотрен программный модульMOZYME, который позволяет рассчитывать системы, содержащие до 15000 атомов(такие как белки) благодаря методу локализованных молекулярных орбиталей LMO(LocalizedMolecular Orbital). Этот метод исключает из вычислений локализованныемолекулярные орбитали, находящиеся друг от друга на большом расстоянии, чтопозволяет вычислять не все двухэлектронные двуцентровые и одноэлектронныедвуцентровые интегралы. Помимо этого не так давно в программном комплексеMOPAC был реализованметод параметризации PM7, в который включен учетмежмолекулярных взаимодействий благодаря добавлению поправок на образованиеводородных и галогенных связей, а также на дисперсионные взаимодействия.В параграфе 2.3 рассматривается реализация прямого докинга на примерепрограммы FLM, в которой не используется сетка заранее рассчитанныхпотенциалов.
В отличие от сеточного докинга, прямой докинг позволяет учитыватьподвижность не только атомов лиганда, но и атомов белка, а также проводитьлокальную оптимизацию атомов в процессе докинга. Помимо этого программа FLMосуществляет поиск не только одного глобального минимума, но находит множестволокальных минимумов энергии взаимодействия белок-лиганд и свободная энергиямолекулярнойсистемымультигармоническомрассчитываетсяприближении:построитсявсемэтимаппроксимацияминимумамвпотенциальнойэнергии полиномом второй степени в каждом локальном минимуме, то есть системапредставляется в виде гармонического осциллятора. Затем вычисляются частотысобственных колебаний гармонического осциллятора и статистическая сумма, покоторой вычисляется свободная энергия молекулярной системы.10В параграфах 2.4 и 2.5 описаны экспериментальные методики измеренияактивности соединений в отношении урокиназы и PAK1 in vitro.Третья глава посвящена тестированию описанных во второй главе методовмолекулярного моделирования на нативных комплексах урокиназа-лиганд, а такжеприменению этих методов для дальнейшей разработки новых ингибиторовурокиназы.Среди исследованных параметров генетического алгоритма (к ним относятся:число независимых запусков программы, число поколений, размер популяции, размерпула родителей и способ выбора особей в пул родителей, количество особей элиты,способ кроссинговера, а также параметры, характеризующие кроссинговер имутации) были выбраны те, которые оказывают наибольшее влияние на времярасчетов и качество докинга.
Их оптимальные значения для программы SOLприведены в таблице 1.Таблица 1. Оптимальные значения параметров генетического алгоритма.Число независимых запусков50Размер популяции300000Число поколений1000Далее, в этой главе на основе данных базы Protein Data Bank построенымолекулярные модели урокиназы для 45 структур комплексов урокиназа-лиганд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
