结构生物信息学系列之虚拟筛选

虽然去年FDA批准了59个新药，创下了近二十年的新高，但不可否认药物发现一直是一项极具挑战性的工作，每款新药的研发投入超过了10亿美元，研发周期也超过10年。而如何在药物发现的早期阶段获得有潜力的化学小分子是各大制药公司进行创新药物研发的起点。虚拟筛选（virtual screening）是一种非常成熟的策略，利用计算机进行大规模地筛选化合物库来获取有生物活性的小分子。这一期我们来介绍虚拟筛选的常用方法和一些有用的工具。

虚拟筛选的方法大致可以分为基于小分子的（ligand-based），或者基于蛋白结构（structure-based）的方法。基于小分子的方法就是利用活性小分子的信息来获取相似的分子，因为相似的分子通常具有相似的生物活性。其中一种是利用化学性质的相似性进行搜索，包括小分子的理化性质比如分子量，氢键数目，可旋转键数目，脂水分配系数。该类方法一般用于小分子库的初步处理（类药性筛选，通过血脑屏障性筛选）。其次，较为常用的一种是根据活性分子的结构描述符来筛选，比如分子指纹（molecular fingerprint）。分子指纹将分子的结构信息存储在一个二进制向量中，然后计算两个向量的相似度。

还有两种比较常用的基于小分子的方法是药效团筛选（pharmacophore search）和形状筛选（shape search）。药效团是指一组空间分布的化学特征或相互作用，它们对于小分子和靶标结合起着重要作用，如下图，图中的球代表药效团。通过药效团比对（pharmacophore alignment）算法，提交的药效团会对化合物库中的小分子进行搜索，找出匹配度最高的小分子。该方法能有效避免专利保护的限制，获得结构新颖的小分子。还有一种是基于形状的筛选，也就是计算两个分子叠合之后的最大重合体积，以此来确定两个分子是否具有相似的构象。总的来说，基于配体的方法没有考虑蛋白的结合位点信息（三维药效团筛选除外），但筛选速度较快，因此比较适合于化合物库的初步筛选（pre-screening）。

基于蛋白结构的小分子筛选一般指的就是利用分子对接技术进行筛选，其完整的流程如下图。在进行筛选之前，蛋白分子需要进行预处理，包括添加氢原子，删去水，添加电荷。小分子化合物库可以进行类药性筛选来获取一些可成药的分子，也可以根据文献报道删去一些假阳性的分子。然后按照分子对接的步骤来并行筛选化合物库，根据打分结果排序。在对接完后，可以做一些后处理（post-processing），比如人工检查打分较高的小分子的结合模式是否合理来排除假阳性，对结构进行聚类来挑选多样的分子，还可以采用一致性打分（consensus scoring）来综合评估结合模式。基于蛋白结构的筛选方法要综合考虑蛋白和小分子的相互作用，筛选速度较慢，但能保证一定的命中率。

 

下面就来介绍几个比较常用的开源的虚拟筛选工具。Pharmit（http://pharmit.csb.）是一个在线的虚拟筛选软件，它整合了药效团搜索和形状匹配，且筛选速度很快。输入PDB ID号，选择晶体中的配体分子，点击提交，

Pharmit会给出一组基于复合物结构的药效团特征列表，用户可以根据右边的三维结构，挑选一些特定的特征组成模型，网站默认的筛选方式使先进行药效团搜索再进行形状匹配（也可以先形状匹配再药效团筛选），Pharmit提供了一些公共的化合物库，也有一些用户贡献的特定的化合物库，这给使用者提供了多种选择。我们选择MolPort库，点击筛选，

右边的结果显示筛选得到5214个小分子，每个小分子都有一个RMSD值，代表药效团模型和小分子之间的均方差根，点击一个分子后，左边会显示其三维构象，下方有minimize按钮可以对筛选到的小分子进行能量优化

优化完后会对5214个小分子重新打分，按照结合能来排序。筛选结果可以通过Save按钮下载。

AutoDock Vina是常用的虚拟筛选软件，其使用方法我们在上一期已做过介绍。值得一提的是，为了充分利用计算资源，一般会采用并行计算的方式完成虚拟筛选，比如如果一台服务器有24个核，我们可以将--exhaustiveness设置为8，然后跑3个线程。除了Vina，在此还要推荐加强版的Vina——Smina（https:///projects/smina/）。相比于Vina，Smina的输入文件类型更多样，而且它的筛选速度比Vina更快，最重要的是用户可以自定义打分函数，程序提供的打分项如下：

用户可以自己设定各个项的权重：

最后，还要推荐一个在线的基于结构的虚拟筛选软件——MTiOpenScreen（http://bioserv.rpbs./services/MTiOpenScreen/），它算是一个Vina的在线网页版，进入主页后点击Run MTiOpenScreen

输入参数和Vina是一样的，设置完后，点击Run便提交任务，在页面上会显示出筛选进度

筛选完成后，会给出打分前1500个的小分子，以及一些理化属性

还有对接模式展示，以及对接后的小分子文件文本展示，也提供下载链接。

这一期我们介绍了一些常规的虚拟筛选方法。虽然虚拟筛选目前已经非常成熟，但还是需要人工挑选小分子来提高阳性率。下一期会带来蛋白蛋白相互作用（PPI）相关的内容。