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高通量筛选(High-Throughput Screening , HTS)已经被世界各大医药公司广泛用于药物先导物的发现。针对各种特定疾病的相关靶点,通过对种类繁多的化合物的自动筛选,从中寻找最佳的作用于特定靶点的先导化合物。HTS规模大、速度快、成本相对较低,能够缩短新药开发周期。
在计算机辅助分子设计领域,也有对应概念的模拟方法,这就是虚拟高通量筛选(Virtual High-Throughput Screening , vHTS)。广义的讲,在分子模拟领域,有很多能够实现数据库水平的大规模分子筛选搜索和评价的方法,例如基于化学信息学的分子的性质,子结构搜索,基于药效基团模型,定量构效关系模型的数据库的搜索,等等。由于基于分子对接技术的数据库搜索方法与实际的HTS具有深层次的相似,因此计算化学家更倾向于将之称为虚拟高通量筛选,也简称为虚拟筛选。
分子对接技术是指在分子模拟环境中,两个或两个以上的分子模型通过几何形状、化学环境以及能量的匹配形成最佳结合的技术。准确的分子对接是计算化学家研究分子作用机理、设计分子的基础。同实际的HTS工作一样,进行虚拟筛选工作时,需要建立好包括化合物库、靶点、靶点和化合物反应的评价方法、高通量筛选和数据处理系统的基本平台。HTS通过不同形式的检测方法来确定化合物活性的高低有无,而vHTS则通常是通过评分的形式进行亲和能力的判断。
作为计算机辅助分子设计领域的领导者,Accelrys 公司在虚拟筛选方面提供了完备的解决方案。Accelrys提供的虚拟筛选研究工具包括Ligandfit、Libdock、和Structure Based Focusing。这三种工具算法各不相同,目前可以在Cerius2/ Catalyst以及DS Modeling的分子模拟环境下应用。
Ligandfit工具
Ligandfit是应用精确的经典分子对接方法进行虚拟筛选的工具。它本身具备了受体分子活性位点的自动寻找和确认、构象柔性的多配体对接以及基于力场的相互作用打分评价的功能。在进行高通量虚拟筛选之前,应当对受体分子进行细致的研究,其中关键的第一步就是确定受体分子的活性位点和关键的氨基酸。当研究的受体对象已存在有复合物结构,在Ligandfit中可以根据已有的配体形态定义结合腔;当没有复合物结构可供参考时,则应用“eraser”和“flood-filling”算法根据受体的具体形态特征,帮助使用者确定结合位点。由于在活性位点内某些关键的氨基酸为受体和小分子的结合提供了主要的贡献,Ligandfit能够设定这些关键的氨基酸上的基团作为相互作用筛选标准,要求被对接的小分子发生相应的基团匹配,形成氢键,疏水相互作用,正负电基团匹配,等等。这种化学基团匹配的功能,使筛选的结果更加合理,也能够使筛选的速度加快,因为不满足匹配的分子一开始就被剔除了。
分子对接时,必须将小分子在受体结合腔内准确放置,才能保证计算能在一个相对可靠的起点上开始。在这方面,Ligandfit具备结合腔分区(partition )和组装(fusing)的独特功能:能够将一个完整的结合腔根据其几何特征进行分区,被对接的分子可以被放置在任意的分区之内,也可以放置到部分分区构成的结合腔的部分腔体内。用这种方法,能够避免将小分子粗略放置到结合腔几何中心引起的初始定位问题,提高对接计算的精度(图1)。Ligandfit在进行分子对接时应�*************************商乜逅惴ǘ耘涮宓墓瓜罂占浣腥⊙曰诹Τ〔问姆椒ń惺芴搴团涮宸肿酉嗷プ饔玫钠兰邸T诙越油瓯稀⑹占攀乒瓜笾螅褂谜呋鼓芄唤徊绞褂肔igscore对虚拟筛选结果进一步评价。Ligscore不仅包括PLP、PMF等在内的8种不同算法的打分函数,还包括对所有打分函数评分结果的综合评价。在众多的虚拟筛选软件中,Accelrys的Ligandfit从功能、效率和精确程度上来说都是个中的翘楚。
LibDock工具
LibDock 是Accelrys另外一个重要的虚拟筛选工具,它还有一个名称叫做“Site Feature Docking”(基于特征的对接)。与Ligandfit使�*************************商乜宸椒ㄊ凳鄙煞肿庸瓜蠓椒ú煌琇ibDock进行化合物筛选时,需要预先生成化合物的低能量的构象,在对接的时候,不再生成新的分子构象,不过二面角仍然可以发生变化。LibDock能够直接读取Catalyst的多构象数据文件,这些数据文件格式通常是Catalyst用户事先准备好的。由于是进行Site Feature Docking ,因此在LibDock把小分子放入到结合腔内之前,必须对结合腔内部的特征进行计算。将结合腔用一个长方体盒子容纳起来,在这个长方体内计算所谓的“hot spot(热点区域)”,也就是小分子配体要满足的化学特征。LibDock计算完毕之后,同样需要进行评分,LibDock有自己独特的评分系统,也可以使用PLP进行评分。由于是基于特征的对接,而且直接利用Catalyst格式的数据,LibDock计算非常快捷。因此用LibDock可以将大量的分子结构进行快速的基于化学性质匹配的过滤。
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