Pokročilá chemoinformatika •Virtualní screening •únor 2017 Úloha virtuálního screeningu v drug designu uloha_screeningu.pdf Virtuální screening •označován také jako in silico screening •jedná se o proces hledání vhodných chemických látek pomocí výpočetního modelu •vhodnost látky zahrnuje sílu interakce, selektivitu, vhodné farmakokinetické vlastnosti a dostatečně nízkou míru toxicity •často se pro virtuální screening používají in-house databáze látek, ale i databáze prodejců Strategie virtuálního screeningu ①rozmanité struktury pro hledání tzv. leadů, dobré pokrytí chemického prostoru aktivních látek, využití pro více cílových biomolekul ②zacílené a zaměřené sady molekul pro hledání leadů a optimalizaci, cílené knihovny obsahují pouze molekuly podobné již známým aktivním sloučeninám a mohou být použití pouze pro daný konkrétní cíl Ukázka work flow virtuálního screenningu optimalni_postup.pdf Další ukázka Zdroj: Johann Gasteiger and Thomas Engel: Chemoinformatics: A Textbook, 2003. Různé přístupy virtualního screeningu podle znalostí Zdroj: Johann Gasteiger and Thomas Engel: Chemoinformatics: 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 znalostí 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 –absorption, distribution, metabolism, excretion 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: http://silicos-it.com/software/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–Activity Relationship, and Pharmacophore Modeling Studies of Pyrazole-3-Carbohydrazone Derivatives as Dipeptidyl Peptidase 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 • caf.png Různé strategie structure-based přístupu Zdroj: Johann Gasteiger and Thomas Engel: Chemoinformatics: A Textbook, 2003. Molekulové dokování •Molekulové rozpoznávání je schopnost biomolekul rozpoznat jiné biomolekuly a selektivně s nimi interagovat za účelem vyvolání biologického pochodu, jako je transkripce, translace, přenos signálu, transport, regulace, enzymatická 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). • Picture2.jpg 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 • Picture2.jpg tb_scheme.jpg 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 aktivního místa biomakromolekuly, podobně jako klíč do zámku. Biologické „zámky“ mají unikátní stereochemické vlastnosti, 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 aktivního místa receptoru za účelem dosažení optimální 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 aktivním 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 C:\Users\berka\Documents\UPOL\!!!PAPERS\!!PAPERS_2011\08_CYP2D6_quinidine_JIB\Figures\TOC_vz3.tif CYP2B4 1SUO CYP2B4 1PO5 CYP2B4 1SUO 1PO5 Význam molekulového dokování •Obtíže při získávání experimentálních strukturních dat komplexů biomakromolekul s ligandy vedly k vývoji predikčních výpočetních metod. •Molekulové dokování (molecular docking) je metoda zaměřená na predikci optimální vazebné orientace a konformace interagujících molekul v prostoru a predikci stability vzniklého komplexu. • tb_complex.png •Molekulové dokování hraje důležitou roli při výzkumu a vývoji moderních léčiv. V průběhu několika posledních desetiletí bylo běžně použito ve většině farmaceutických 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 relativní orientaci ligandu a receptoru, ale také o jejich vzájemné konformaci. • tb_detail.png 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 vlastnosti 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 energeticky, komplex má menší potenciální energii než jeho jednotlivé části 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 softwarů 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 energeticky co nejvýhodnější) 4. Skórovací funkce •Force field •Empirical •Knowledge-based