AutoDock Vina

Az AutoDock Vina egy széles körben használt molekuladokkoló program, amely kis molekulák (ligandumok) és makromolekulák (receptorok) kölcsönhatásainak modellezésére szolgál. A dokumentációban a bemutatott példa az imatinib (Gleevec) dokkolását mutatja be a c-Abl tirozin-kináz fehérjébe, amely a krónikus mieloid leukémia kezelésének fontos gyógyszercélpontja.

_images/rec-lig_kristaly.png

Szükséges programok

  • AutoDock Vina 1.2.7

  • Meeko

  • Python 3

  • AutoGrid4

  • ChimeraX

Munkafolyamat áttekintése:

  1. Receptor előkészítése

  2. Ligandum előkészítése

  3. Affinitástérképek generálása (opcionális)

  4. Dokkolás futtatása

Receptor előkészítése

A választott szerkezet letölthető a https://www.rcsb.org/3d-view/1IEP oldalról. Azonban a kapott szerkezet 2 lácot és 2 ligandumot is tartalmaz egyéb dolgok mellett, ami számunkra nem megfelelő kiindulási állomány. Nekünk egy receptorra lenne szükségünk, amely tartalmaz hidrogénatomokat is.

Ennek az input .pdb-nek az elkészítéséhez használjuk a ChimeraX programot, melyben nyissuk meg a letöltött 1IEP.pdb szerkezetet. A parancssorban a következő utasításokkal a receportunk megfelelő alakúra hozható.

Először törüljük a B láncot:

delete #1/B

Ezt követően az A láncon belül is törlünk mindent, ami nem a fehérje:

delete ~protein

Majd a kapott receportunkat bővítjük hidrogénatomokkal:

addh

Így a kapott szekezet megfelelő alakú a dokkoláshoz. A kimetéshez használható következő parancs (vagy a grafikus felület megfelelő fülét használva is megtörténhet a mentés):

save 1iep_receptorH.pdb

Az 1iep_receptorH.pdb lesz így a bemeneti receptor fájlunk. Ennek birtokában megkezdődhet a receptor tényleges előkészítése a követhező paranccsal:

mk_prepare_receptor.py \
-i 1iep_receptorH.pdb \
-o 1iep_receptor \
-p -v \
--box_size 20 20 20 \
--box_center 15.190 53.903 16.917

Ez létrehozza a következő fájlokat:

Ligandum előkészítése

A ligandumot tartalmazó .sdf formátumú input fájl közvetlenül letöltehető a https://www.rcsb.org/structure/1IEP oldal Small Molecules tartalmazó részéről. Itt látható, hogy a ligandum neve STI és egyből letöltehtő az egyes lánokhoz tartozó verziója a kívánt formátumban. Az rendelkezésünkre álló 1iep_G_STI.sdf ligandumhoz még hozzá kell adni a hidrogéneket, amit a korábbi fejezethez hasonló módon a ChimeraX

addh

parancsával lehet többek között megtenni. A kapott szerkezetet 1iep_ligand.mol2 néven és formátumban mentjük el. Ezt követően a ligandum dokkoláshoz való előkészítése a következő paranccsal indítható:

mk_prepare_ligand.py -i 1iep_ligand.mol2 -o 1iep_ligand.pdbqt

Mely létrehozza a 1iep_ligand.pdbqt fájlt.

A hivatalos dokumentáció nem javasolja a PDB fromátum használatát kis molekulákhoz, mivel a kötési információk elveszhetnek. Inkább SDF vagy MOL2 használata ajánlott.

AutoGrid4 térképek előállítása (opcionális)

Ha az AutoDock4 erőterét szeretnénk használni, affinitástérképeket kell generálnunk.

Receptor előkészítése GPF fájllal:

mk_prepare_receptor.py -i 1iep_receptorH.pdb -o 1iep_receptor -p -v -g \
--box_size 20 20 20 --box_center 15.190 53.903 16.917

Ez létrehozza a 1iep_receptor.gpf fájlt, mely az autogrid4 inputja.

autogrid4 -p 1iep_receptor.gpf -l 1iep_receptor.glg

A futás után megjelennek a következő fájlok:

Dokkolás AutoDock Vina pontozási függvénnyel

Az AutoDock Vina alapértelmezés szerint a saját ponozási függvényét (Vina scoring function) használja. Ebben az esetben nincs szükség előre generált affinitástérképekre, elegendő a receptor PDBQT állománya és a keresési tér (grid box) megadása.

vina --receptor 1iep_receptor.pdbqt --ligand 1iep_ligand.pdbqt \
   --config 1iep_receptor.box.txt \
   --exhaustiveness=32 --out 1iep_ligand_vina_out.pdbqt

Fontosabb paraméterek:

  • --receptor: a receptor PDBQT fájlja

  • --ligand: a ligandum PDBQT fájlja

  • --center_x/y/z: a keresési tér középpontja

  • --size_x/y/z: a keresési tér mérete Å-ban

  • --exhaustiveness: a keresés alapossága

  • --out: az eredmények kimeneti fájlja

A nagyobb exhaustiveness érték alaposabb keresést eredményez, viszont növeli a futási időt. Az imatinib a dokumentáció szerint különösen nehezen dokkolható molekula, ezért érdemes az alapértelmezett 8 helyett magasabb értéket alkalmazni.

A futás végén az alábbi eredmény jelenik meg:

mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
    1       -13.24          0          0
    2       -11.28      2.996      12.41
    3       -11.14      3.799      12.25
    4        -10.7      1.106      1.622
    5       -10.61      2.572      12.62
    6       -10.27      1.741      13.59
    7       -9.613      3.042      12.57
    8       -9.454      2.363       12.8
    9       -8.981      3.877      12.66

Az affinitás kcal/mol egységben jelenik meg. A negatívabb érték erősebb becsült kötődést jelent.

Note

Az AutoDock Vina által riportált rmsd l.b. és rmsd u.b. értékek nem a kristályszerkezethez viszonyított RMSD-t jelentik. Ezek az adott dokkolt póz és a legjobb pontszámú (első helyezett) póz közötti eltérést írják le. A kristályos szerkezethez való összehasonlításhoz külön RMSD-számítás szükséges.

Dokkolás AutoDock4 pontozási függvénnyel

Az AutoDock Vina 1.2.x egyik újdonsága, hogy képes az AutoDock4 pontozási függvényét is használni. Ebben az esetben a korábban előállított AutoGrid4 térképekre van szükség.

vina  --ligand 1iep_ligand.pdbqt --maps 1iep_receptor --scoring ad4 \
    --exhaustiveness 32 --out 1iep_ligand_ad4_out.pdbqt

Fontosabb paraméterek:

  • --ligand: a ligandum PDBQT fájlja

  • --maps: az AutoGrid4 által generált térképek előtagja

  • --scoring ad4: AutoDock4 pontozási függvény használata

  • --exhausiveness: keresési alaposság

  • --out: kimeneti fájl

A --maps 1iep_receptor megadásakor a program automatikusan betölti a .maps.fld és .map fájlokat.

A futás végén az alábbi eredmény jelenik meg:

mode |   affinity | dist from best mode
     | (kcal/mol) | rmsd l.b.| rmsd u.b.
-----+------------+----------+----------
    1       -15.21          0          0
    2       -15.07     0.8504      1.045
    3       -13.71      1.291      1.808
    4       -12.72      1.374       2.01
    5       -12.65      3.986      6.062
    6       -11.75      1.629      2.555
    7       -11.25      4.993      11.35
    8       -10.87      3.587      11.47
    9       -10.86       3.55      5.707

A Vina és az AutoDock4 erőtér összehasonlítása

Vina pontozási függvény

Előnyök:

  • egyszerű használat

  • nincs szükség AutoGrid4 futtatására

  • gyorsabb előkészítés

  • virtuális szűrésekhez gyakran megfelelő választás

Hátrányok:

  • bizonyos ligandum-receptor rendszereknél kevésbé pontos lehet

  • nem teljesen kompatibilis a klasszikus AutoDock4 protokollal

AutoDock4 pontozási függvény

Előnyök:

  • részletesebb, atomtípus-specifikus energiatérképet használ

  • számos régebbi publikáció és validált protokoll erre épül

  • egyes rendszereknél jobb reprodukciós képességet mutathat

Hátrányok:

  • több előkészítési lépés szükséges

  • AutoGrid4 futtatása kötelező

  • több fájl kezelése szükséges

Érdemes ugyanazt a ligandumot mindkét pontozási függvénnyel ledokkolni, majd összehasonlítani:

  • becsült energiát,

  • a kapott kötési pózokat,

  • a kulcsfontosságú kölcsönahtásokat,

  • a kristályszerkezethez viszonyított RMSD értéket.

Példa:

Módszer

Affinitás (kcal/mol)

Vina

-13.24

AD4

-15.21

Az energiák közvetlen összehasonlítása csak óvatosan értelmezhető, mivel a két pontozási függvény eltérő matematikai modelleket használ. Fontosabb kötési pózok és a kulcsfontosságú kölcsönhatások összevetése.

_images/ad4_kristaly.png

Pirossal az AutoDock4 erőtérrel meghatározott legnagyobb affinitással rendelkező geometria látható, míg zölddel kristályos szerkezet.

_images/ad4_vina.png

Pirossal az AutoDock4 erőtérrel meghatározott legnagyobb affinitással rendelkező geometria látható, míg narancssárgával a hasonlóan legnagyobb affinitással rendelkező Vina erőteres szerkezet.

A kristályszekezethez viszonyított általánosan elfogadott RMSD értékek:

RMSD (Å)

Értékelés

<2

Kiváló reprodukció

2-3

Elfogadható

>3

Jelnetős eltérés

Note

A kristályos és a dokkolt ligandum RMSD-értéke csak akkor tekinthető megbízhatónak, ha a két szerkezetben az atomok megfeleltetése helyes.