MOE 肽类药物设计（九）：从手工改一个残基到批量筛选——Protein Design 和 Residue Scan 怎么用？

前几篇一直在做一件事找到一个值得修改的位置然后手工尝试一个方案。例如Leu26 → Asn然后再进行 Rotamer 搜索、局部优化和相互作用检查。这种方法非常适合验证一个明确的设计假设。但如果我们的问题变成Phe19有 5 种候选残基Leu26又有 8 种候选残基到底哪个单突变或者双突变更值得做实验继续手工操作就不现实了。这时候就需要Protein Design。Protein Design 本质上是在做什么Protein Design 可以理解成自动生成突变体 结构调整 评分 排序。它能够同时处理多个mutation site并把生成的结构和评分写入MOE Database的一个mdb文件库中。Residue Scan还可以结合能量函数进行affinity 亲和力评估。因此它和Protein Builder最大的区别在于Protein Builder 更适合人工探索一个方案Protein Design 更适合系统搜索一组方案。从 Rational Design 到虚拟突变筛选对于已经具有三维复合物结构的肽我们通常不会完全随机地把所有位置都改一遍。前面的Contacts、Surface和Electrostatic Map已经帮助我们找到了更值得关注的位置。例如 p53 中的Phe19 和 Leu26现在可以把问题定义成我只优化这两个位置但允许它们分别尝试多个候选氨基酸。这种做法介于传统 Rational Design与计算虚拟筛选之间。Protein Design可以组合枚举single-point或multi-point mutants并进一步利用stability、affinity等指标对候选结构进行筛选同时还能进行侧链repacking和能量最小化。第一步打开 Residue Scan打开Protein → Design → Residue Scan即可进入 Protein Design 面板。这个面板里最核心的几个部分包括- 计算对象- Residues to Scan- 每个位点允许的 mutation list- Scan Type- Affinity- Properties- Ensemble Generation- 最终计算输出。换句话说我们实际上是在这里定义一个“虚拟突变实验”。第二步决定“改哪里”可以先在 Sequence Editor 中选择希望设计的残基。这里选择p53 Phe19和p53 Leu26两个位置。然后在 Residue Scan 中将 Display 设置为Selected Residues这样列表里就只剩我们真正准备设计的位置。这个步骤非常重要。Protein Design 的意义并不是让计算机毫无目的地枚举一切而是把前面获得的结构知识转化成一个受控的搜索空间。做在第三步之前的工作这里需要提前把之前生成的rotamer.mdb的文件保存在我们的默认路径下。打开右上角的齿轮点击protein defaults。点击rotamer library右边的文件夹选择之前保存的rotamer的数据库add进入默认路径。这样我们在mutate的时候就能选中我们构建的非天然氨基酸了。这在ADC的开发中同样可以使用在抗体开发中一样可以使用。第三步每个位点可以设置不同的候选氨基酸Residue Scan并不要求所有位置都尝试同样的 20 种天然氨基酸。每一个位置都可以单独定义自己的mutant list。例如Phe19清空默认候选后只设置His也就是F19H而对于Leu26则可以调用我们前面创建的非天然氨基酸AZE2和CYC4作为候选。这一点非常实用。因为真实的肽设计通常不是“所有位置全部扫描 20 种氨基酸。”而更可能是这个位置主要考虑极性替换另一个位置主要考虑环状疏水 NNAA。点击clear可以清空mutate的空间。然后点击右边的就可以选择氨基酸残基。最后点击apply就可以了。同样的做法可以在下面的Leu上进行。Site Limit允许一次改几个位置如果有两个设计位点还有一个问题只做单突变还是允许双突变这里就要设置Site Limit例如设置Site Limit 2意味着一次最多允许同时修改两个 residue。在这个案例中设置双突变后界面中的 mutation space 会随之扩大。这个参数非常重要。因为候选位置和候选氨基酸一多组合数量会迅速增长。假设有 5 个位置每个位点 10 个选择仅仅枚举组合就可能产生巨大的设计空间。所以 Protein Design 并不是“候选越多越好”。更合理的思路是先利用结构分析缩小位点再利用化学知识缩小 residue list最后才交给计算进行组合。生成突变体以后还要做什么Protein Design 并不是简单把氨基酸名字替换掉。突变会改变局部三维环境因此后续还可以进行side-chain repacking和energy minimization并进一步计算stability、affinity和protein properties。可以勾选Affinity观察突变前后的变化。这样运行之后的结果如下会显示dAffinity和dStability并用颜色表示红色代表突变以后变差、蓝色代表突变以后变好它还支持使用Rotamer Explorer、LowModeMD或Molecular Dynamics生成构象集合并对ensemble进行后续评分。因此更完整的逻辑应该理解成确定设计位点↓设置每个位点的候选残基↓定义单突变 / 多突变↓生成突变结构↓侧链重新排布与结构优化↓Affinity / Stability / Properties 评分↓候选排序本篇小结Protein Builder 解决的是我想看看这个具体突变长什么样。而 Protein Design / Residue Scan 解决的是我有一批合理的突变方案哪些更值得继续研究它最重要的地方是可以把前面的结构分析结果转化成一个受控的mutation space。下一篇我们就详细看看 MOE 最终会输出哪些结构和评分以及结果数据库应该怎么看。MOE 肽类药物设计十Residue Scan 跑完怎么看dAffinity、dStability 和突变体评分怎么理解