Virtuální  screening   Pokročilá  chemoinforma7ka   Úloha  virtuálního  screeningu     v  drug  designu   IDENTIFIKACE*NEMOCI* VÝZKUM*METABOLICKÝCH*DRAH* VÝBĚR*CÍLOVÉHO*PROTEINU* 3D*STRUKTURA* OBJEVOVÁNÍ* CÍLE* TARGET* DISCOVERY* SKRÍNING* VIRTUÁLNÍ*SKRÍNING* HTS* VIRTUÁLNÍ*KNIHOVNA* MOLEKUL* KNIHOVNA* SYNTETIZOVANÝCH*LÁTEK* OBJEVOVÁNÍ* ÚČINNÉ*LÁTKY* DRUG* DISCOVERY* “LEADS”* LÁTKY*VYKAZUJÍCÍ*AKTIVITU* Virtuální  screening   •  označován  také  jako  in  silico  screening       •  jedná  se  o  proces  hledání  vhodných   chemických  látek  pomocí  výpočetního  modelu   •  vhodnost  látky  zahrnuje  sílu  interakce,   selek7vitu,  vhodné  farmakokine7cké   vlastnos7  a  dostatečně  nízkou  míru  toxicity   •  často  se  pro  virtuální  screening  používají   in-­‐house  databáze  látek,  ale  i  databáze   prodejců   Strategie  virtuálního  screeningu   ① rozmanité  struktury  pro  hledání  tzv.  leadů,   dobré  pokryK  chemického  prostoru  ak7vních   látek,  využiK  pro  více  cílových  biomolekul   ② zacílené  a  zaměřené  sady  molekul  pro   hledání  leadů  a  op7malizaci,  cílené  knihovny   obsahují  pouze  molekuly  podobné  již   známým  ak7vním  sloučeninám  a  mohou  být   použiK  pouze  pro  daný  konkrétní  cíl   Ukázka  work   flow   virtuálního   screenningu   21#milionů#molekul#v#ZINC#databázi*# PŘÍPRAVA#VIRTUÁLNÍ#KNIHOVNY# G#správná#velikost#molekul# G#vhodné#fyzikálně#chemické#vlastnosQ# 16#milionů#molekul# PRVOTNÍ#SKRÍNING# G#farmakofor# G#tvar#molekuly# 800#Qsíc#molekul# RYCHLÝ#SKRÍNING# G#jednoduché#skórovací# funkce# G#rigidní#vazebné#místo# 5#Qsíc#molekul# PŘESNÝ#SKRÍNING# G#přesnější# skórování# Gflexibilní#vazebné# místo# 350#molekul# Další  ukázka   Zdroj:  Johann  Gasteiger  and  Thomas  Engel:  Chemoinforma7cs:  A  Textbook,  2003.   Různé  přístupy  virtualního  screeningu   podle  znalosK   Zdroj:  Johann  Gasteiger  and  Thomas  Engel:  Chemoinforma7cs:  A  Textbook,  2003.   neznámé  ligandy   známé  ligandy   neznámá  struktura   proteinu   kombinační  knihovna   (combinatorial  library)  a  HTS   QSAR,  farmakoforové  modely,   podobnostní  hledání    v  DB   známá  struktura   proteinu   De  novo  design,  receptor-­‐ based  3D  vyhledávání   Structure-­‐based  design,   dokování   Různé  přístupy  virtualního  screeningu   podle  znalosK   Ligand-­‐based  přístup   •  první  krok  –  filtrování     – např.  Lipinského  pravidlo  5   •  MW  <  500,  logP  <  5,  H  donorů  <  5,  H  akceptorů  <  10   •  rozšíření:  počet  rotovatelných  vazeb  <  10  nebo  jedno   z  pravidel  může  být  porušeno   •  in  silico  ADMET   – absorp7on,  distribu7on,  metabolism,  excre7on   and  toxicity   •  podobnostní  hledání   •  farmakoforový  model   Podobnostní  hledání   •  topologické  (2D)   – podobnostní  koeficienty  a  fingerprinty   •  hledání  podle  výskytu  podobných  skupin   – scaffoldy   •  společné  základ  molekul   •  např.  Murcko  scaffold   •  geometrické  (3D)   – hledání  molekul  se  stejnou  funkční  skupinou  ve   stejném  prostoru   Zdroj:  hmp://silicos-­‐it.com/sooware/strip-­‐it/1.0.2/strip-­‐it.html   •  principem  je   hledání  funčních   bodu  v   konkretním   prostoru  na   základě  přiložení   známých  molekul   Zdroj:  Wu,  D.,  Jin,  F.,  Lu,  W.,  Zhu,  J.,  Li,  C.,  Wang,  W.,  Tang,  Y.,  Jiang,  H.,  Huang,  J.,  Liu,  G.  and   Li,  J.  (2012),  Synthesis,  Structure–Ac7vity  Rela7onship,  and  Pharmacophore  Modeling  Studies   of  Pyrazole-­‐3-­‐Carbohydrazone  Deriva7ves  as  Dipep7dyl  Pep7dase  IV  Inhibitors.  Chemical   Biology  &  Drug  Design,  79:  897–906.  doi:  10.1111/j.1747-­‐0285.2012.01365.x   Farmakoforové  modely   Structure-­‐based  přístup   •  znalost  struktury  cíle  (nejčastěji  proteinu)   •  PDB  databáze   – krystalizované  komplexy  ligandu  s  proteinem   •  například  3rfm  –     adenosinový   receptor  A2a     s  kofeinem   Různé   strategie   structure-­‐ based   přístupu   Zdroj:  Johann  Gasteiger  and  Thomas  Engel:  Chemoinforma7cs:  A  Textbook,  2003.   Molekulové  dokování   •  Molekulové  rozpoznávání  je  schopnost  biomolekul  rozpoznat  jiné   biomolekuly  a  selek7vně  s  nimi  interagovat  za  účelem  vyvolání   biologického  pochodu,  jako  je  transkripce,  translace,  přenos   signálu,  transport,  regulace,  enzyma7cká  katalýza,  virová  a   bakteriální  infekce  a  imunitní  odpověď.   •  Molekulové  dokování  je  proces,  který  spočívá  v  umístění  molekul   do  vhodné  polohy,  ve  které  interagují  s  receptorem.  Molekulové   dokování  je  přirozený  proces,  který  se  odehrává  v  buňkách.   •  V  molekulovém  modelování  se  pomocí  metody  “molekulového   dokování”  studuje,  jak  dvě  či  více  látek  „zapadají“  do  sebe  (jak   interagují).   In  silico  molekulové  dokování   •  Hledání  nejlepšího  „fitu“  mezi  receptorem  a  ligandem   •  Predikuje •  pózu molekuly ve vazebném místě •  geometrie •  Vazebnou afinitu (skóre) reprezentující sílu vazby •  energie Porozumění  molekulovému   rozpoznávání   •  Pochopení  principu  molekulárního  rozpoznávání  na   molekulární  úrovni  je  nezbytné  pro  správé  pochopení   molekulární  funkce  a  biologického  procesu   •  Znalost  biologického  procesu  na  molekulární  úrovni   může  být  použita  pro  návrh  nových  léčiv.   Vysvětlení  molekulovému   rozpoznávání   •  V  roce  1890  byl  představen  model  zámku  a   klíče  (lock-­‐and-­‐key)  Emilem  Fischerem.   •  V  roce  1958  Daniel  Koshland  představil   induced-­‐fit  přístup.   •  Buyong  Ma  a  jeho  skupina  představila  v  roce   2003  představila  cestu  pomocí  konformační   ensemble.   •  “All  model  are  wrong,  some  are  usefull.”                      -­‐-­‐  George  Box   Teorie  zámku  a  klíče   •  Již  v  roce  1890  Emil  Fischer  navrhl  model   nazývaný  „model  zámku  a  klíče“  popisující,  jak   fungují  biologické  systémy.    Substrát  podle   tohoto  modelu  zapadá  do  ak7vního  místa   biomakromolekuly,  podobně  jako  klíč  do   zámku.  Biologické  „zámky“  mají  unikátní   stereochemické  vlastnos7,  které  jsou   nezbytné  pro  jejich  funkci.   Teorie  indukovaného  přizpůsobení   (induced-­‐fit)   •  V  roce  1958  Daniel  Koshland  navrhl  model   „indukovaného  přizpůsobení“.    Základní   myšlenkou  tohoto  modelu  je  flexibilní   přizpůsobení  ligandu  i  ak7vního  místa   receptoru  za  účelem  dosažení  op7mální   struktury  komplexu.   Model  konformačního     ensemblu  (sady)   •  Bylo  pozorováno,  že  proteiny  mohou   vykovávat  velké  konformační  změny.  Tento   model  popisuje  proteiny  jako  sadu   konformačních  stavů.  Flexibilita  proteinu   dovoluje  přecházet  z  jedné  konformace  na   druhou.   Flexibilita  cytochromu  P450  2D6   v  ak7vním  místě   Zdroje:  Hendrychova  T  et  al  BBA  -­‐  Proteins  and  Proteomics,  1814  (1),  58-­‐68,  2011   Otyepka  M,  Berka  K,  Anzenbacher  P.  Curr.  Drug.  Metab.,  13(2),  130-­‐142,  2012   Berka  K,  et  al    J.  Inorg.  Biochem.,  110,  46-­‐50,  2012   CYP2B4   1SUO   CYP2B4   1PO5   CYP2B4   1SUO   1PO5   Význam  molekulového  dokování   •  ObKže  při  získávání  experimentálních  strukturních  dat  komplexů   biomakromolekul  s  ligandy  vedly  k  vývoji  predikčních  výpočetních   metod.   •  Molekulové  dokování  (molecular  docking)  je  metoda  zaměřená  na   predikci  op7mální  vazebné  orientace  a  konformace  interagujících   molekul  v  prostoru  a  predikci  stability  vzniklého  komplexu.   •  Molekulové  dokování  hraje   důležitou  roli  při  výzkumu  a  vývoji   moderních  léčiv.  V  průběhu   několika  posledních  dese7leK  bylo   běžně  použito  ve  většině   farmaceu7ckých  a   biotechnologických  firem  pro  celou   řadu  aplikací.     Definice  pojmu  „póza”   •  „Póza"  označuje  konkrétní  geometrické   uspořádání  komplexu  receptor-­‐ligand  (v  angl.   „pose“,  či  také  „binding  mode“).   •   Obsahuje  informaci  nejen  o  rela7vní  orientaci   ligandu  a  receptoru,  ale  také  o  jejich  vzájemné   konformaci.   Molekulová  komplementarita  v   dokování   •  Molekulové  dokování  využívá  konceptu  molekulové   komplementarity  (lat.  complementum,  doplněk).  Interakci  molekul   si  můžeme  představit  jako  navlékání  rukavice  na  ruku,  tvar  a   fyzikálně-­‐chemické  vlastnos7  molekul  určují  podobu  komplexu.   •  Komplementarita  tvarů  je  prvním  kritériem  pro  hodnocení   interakce  .   •  Navíc,  chemická  a  fyzikálně-­‐chemická  komplementarita  je  také   důležitým  kritériem  při  dokování,     které  ovlivňuje  podobu  vzniklého   komplexu.   Podoba  komplexu  je  určena  energií   •  Vznik  komplexu  je  řízen  energe7cky,  komplex  má   menší  potenciální  energii  než  jeho  jednotlivé   čás7  samostatně,  což  drží  komplex  pohromadě.   •  Cílem  molekulového  dokování  je  najít  3D   strukturu  komplexu,  který  má  nejnižší  energii.   Flexibilita  při  dokování   •  Vzájemné  přizpůsobení  ligandu  a  receptoru  je  klíčové  pro  pochopení  vazby   ligandu  a  funkce  proteinu.   •  Jedno  z  velkých  výzev  molekulového  dokování  je  správně  zahrnout  toto   přizpůsobení  při  výpočtu.   •  Postup  dokování  může  být  rozdělen  podle  toho,  do  jaké  míry  uvažujeme   flexibilitu,  ve  vzrůstajícím  pořadí:   1.  Rigidní  dokování:  nezahrnuje  flexibilitu  žádné  molekuly  (zámek  a  klíč)   2.  Rigidní  receptor  –  flexibilní  ligand:  pouze  ligand  je  flexibilní  (nejčastější)   3.  Flexibilní  receptor  –  flexibilní  ligand:  obě  dvě  struktury  flexibilní  (výpočetně   náročné)   Tři  základní  komponenty  soowarů     provádějící  dokování   1.  Reprezentacemolekul  –  způsob,  jak  znázornit   molekuly  (atomy,  povrch,  mřížka  (grid))   2.  Skórovací  funkce  (metoda)  –  metoda   posuzující  energii  nadokovaného  komplexu   (např.  silové  pole)   3.  Prohledávací  algoritmus  (searching   algorithm)  –  algoritmus  generující  pózy   (ideálně  energe7cky  co  nejvýhodnější)   Skórovací  funkce   •  Force  field   •  Empirical   •  Knowledge-­‐based