張心苑，毛雪石

（北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所，北京 100050）

0 引言

Discovery Studio （簡稱DS）是基于Windows/Linux系統(tǒng)，面向藥學(xué)領(lǐng)域的新一代分子建模和模擬環(huán)境，它應(yīng)用于藥物結(jié)構(gòu)功能研究以及藥物發(fā)現(xiàn)[1]。Discovery Studio研究領(lǐng)域包括：疾病的發(fā)病機(jī)理研究、新藥發(fā)現(xiàn)和設(shè)計、計算藥物化學(xué)、腫瘤藥物研究等[2]。

Discovery Studio功能模塊包括基于結(jié)構(gòu)的藥物發(fā)現(xiàn)和設(shè)計模塊、基于片段的藥物設(shè)計模塊、基于藥效團(tuán)的藥物發(fā)現(xiàn)和設(shè)計模塊、基于小分子的藥物發(fā)現(xiàn)和設(shè)計模塊蛋白質(zhì)建模及模擬模塊、分子力學(xué)、分子動力學(xué)、分子力學(xué)/量子力學(xué)模擬模塊等。Discovery Studio 2017新增拉伸分子動力學(xué)功能，在分子動力學(xué)的基礎(chǔ)上引入拉伸力場，能夠更好地分析配體（藥物分子）、受體的結(jié)合方式，本文主要介紹分子動力學(xué)模塊的拉伸分子動力學(xué)功能。

拉伸分子動力學(xué)研究的主要問題是利用拉伸分子動力學(xué)計算配體（藥物分子）結(jié)合受體的自由能、研究配體（藥物分子）的解離過程、研究蛋白質(zhì)的去折疊過程或構(gòu)象變化、拉伸離子或配體（藥物分子）通過通道蛋白、構(gòu)建平均力勢（PMF）。蛋白質(zhì)類別（結(jié)構(gòu)）不同，展開不同結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)所需的拉伸力、溫度不一樣，拉伸分子動力學(xué)過程（由高溫和外力誘導(dǎo)的去折疊過程）有差異[3]。不同蛋白質(zhì)的拉伸分子動力學(xué)過程的差異行為與蛋白質(zhì)折疊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)元素的穩(wěn)定性有關(guān)。

1 建立并運(yùn)行拉伸分子動力學(xué)模擬

本文以1TEN、1TIT的晶體結(jié)構(gòu)為例，在Discovery Studio中載入1TEN、1TIT的pdb文件。其中，1TEN是一種纖維粘連蛋白，1TIT是一種免疫球蛋白，兩種蛋白的二級結(jié)構(gòu)都是β折疊、β轉(zhuǎn)角[4-6]。

1.1 選擇一對原子作為拉伸方向

用rNc表示蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)（氨基酸序列）中N端（NH2-）中氮原子到C端（—COOH）中碳原子連線所形成的向量。拉伸力的方向平行于rNc并且力的方向是使N端（NH2-）中氮原子到C端（—COOH）中碳原子遠(yuǎn)離的。

首先，確定N端及C端氨基酸，右鍵單擊molecule window出現(xiàn)display style，選擇protein，再選擇color by,選擇N-to-C Terminal，出現(xiàn)的3D結(jié)構(gòu)視圖顯示只有藍(lán)、紅兩部分。在藍(lán)色部分內(nèi)的氨基酸就是N端的氨基酸，在紅色部分內(nèi)的氨基酸就是C端的氨基酸。N-C端向量即為拉伸方向，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同確定的拉伸方向不同。

1.2 設(shè)置拉伸動力學(xué)參數(shù)，建立拉伸動力學(xué)模擬

1.2.1 確定運(yùn)算時間

如果恒力足夠大，蛋白質(zhì)拉伸運(yùn)算完成的時間與合適的力拉伸運(yùn)算完成的時間不同[7]。運(yùn)算時間的確定與施加力的大小有關(guān)，需要調(diào)節(jié)拉伸力的同時觀察拉伸分子動力學(xué)運(yùn)算時間是否合適。從標(biāo)準(zhǔn)分子動力學(xué)運(yùn)算結(jié)果可看出1TIT蛋白質(zhì)中運(yùn)算時間的平衡點(diǎn)在2400ps后，因此將運(yùn)算時間設(shè)為3000ps最為合適。

1.2.2 確定運(yùn)算溫度

最佳的拉伸分子動力學(xué)溫度為450K，在300K-450K的溫度范圍內(nèi)都合適，溫度為500K時，拉伸時間小于500ps，拉伸速率較快，不適合觀察拉伸分子動力學(xué)過程中蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化[8]。

1.2.3 確定運(yùn)算拉伸力

拉伸力等于150pN時可以達(dá)到70-250?的拉伸距離，無法完全拉伸蛋白質(zhì)[9]。拉伸力小于等于250pN時無法完全拉伸蛋白質(zhì)，拉伸力大于400pN時拉伸速度過快，不適于觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，最佳拉伸力為400pN。

1.2.4 運(yùn)行拉伸分子動力學(xué)模擬

運(yùn)算拉伸動力學(xué)后出現(xiàn)600個conformation（構(gòu)象），蛋白質(zhì)完全拉伸后的分子構(gòu)象如圖1所示。

圖1 拉伸方向圖（左） 拉伸分子動力學(xué)運(yùn)算結(jié)果圖（右）

2 拉伸動力學(xué)結(jié)果分析

2.1 觀察不同時間點(diǎn)、不同拉伸距離的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)

拉伸動力學(xué)方法可以提供整個過程中原子水平的細(xì)節(jié)，從軌跡中獲得一些快照，可表示拉伸動力學(xué)過程中的構(gòu)象變化?，F(xiàn)分別在rNC=43.26?，rNC=56.99?，rNC=64.02?，rNC=71.72?，rNC=79.96?，rNC=87.15?，rNC=94.83?，rNC=102. 57? 及初始狀態(tài)和完全拉伸狀態(tài)按照時間節(jié)點(diǎn)將8幅圖顯示如圖2。（1 ?=10-10m，?主要用于原子物理、晶體學(xué)）。

圖2 不同時間點(diǎn)的軌跡圖

2.2 繪制拉伸距離隨時間變化圖，觀察拉伸動力學(xué)的平衡點(diǎn)

觀察拉伸分子動力學(xué)模擬結(jié)果，從模擬的第一個構(gòu)象一直到最后一個構(gòu)象的變化動畫，可以發(fā)現(xiàn)距離量是一直變化的，拉伸距離的變化范圍為43.26 ?-102.57 ?。

分析拉伸距離隨時間變化的原因是找到拉伸平衡狀態(tài)，最佳狀態(tài)時的拉伸距離隨時間變化圖應(yīng)該是逐漸上升趨勢增加到一定值時趨于平衡的狀態(tài)[10]。若增加拉伸模擬時間或增加拉伸力可以更快地達(dá)到平衡狀態(tài)，做出含平衡狀態(tài)的拉伸距離隨時間變化圖。

2.3 繪制RMSD，編譯動力學(xué)軌跡監(jiān)控數(shù)據(jù)

RMSD圖表示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)差異，趨勢逐漸增大至穩(wěn)定，如圖3所示。Tools explorer選項卡中選擇Analyze Trajectory，再選擇 Analyze，Create Plot設(shè)置RMSD參數(shù)：Properties選擇Distance1，Analysis type選擇RMSD、RMSF、Properties，其他參數(shù)按默認(rèn)設(shè)置即可。

2.4 根據(jù)多條運(yùn)算軌跡計算自由能

根據(jù)拉伸分子動力學(xué)運(yùn)算結(jié)果適當(dāng)調(diào)整拉伸力、拉伸時間、拉伸溫度的值，會得到若干條運(yùn)算軌跡，根據(jù)30-40條軌跡可以準(zhǔn)備地計算自由能，現(xiàn)根據(jù)一條拉伸分子動力學(xué)計算自由能。Tools explorer選項卡中展開Run Simulations，在Steered Molecular Dynamics菜單下點(diǎn)擊Calculate Free Energy from Steering Force，得到計算自由能隨拉伸距離變化的圖4。

圖3 RMSD圖

圖4 自由能隨拉伸距離的變化圖

3 結(jié)論

在Discovery Studio 2017軟件中新增拉伸分子動力學(xué)的計算功能，通過軟件模擬拉伸分子動力學(xué)過程體現(xiàn)蛋白質(zhì)的去折疊過程中的構(gòu)象變化、配體（藥物分子）的結(jié)合及解離過程，進(jìn)一步研究并優(yōu)化藥物分子與受體蛋白的結(jié)合方式。Discovery Studio 2017軟件的拉伸分子動力學(xué)模塊有強(qiáng)大的分析動力學(xué)運(yùn)算結(jié)果的工具，能夠有效分析藥物分子在力場中與靶標(biāo)蛋白的結(jié)合方式。拉伸分子動力學(xué)的計算功能還有利于基于靶標(biāo)的藥物設(shè)計及藥物的高通量篩選，在模擬大分子藥物、化學(xué)、生物系統(tǒng)中具有重要作用。

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