使用MolAICal的深度学习模型和分子对接程序进行药物的虚拟筛选

MolAICal

使用MolAICal的深度学习模型和分子对接程序进行药物的虚拟筛选

更多教程（含英文教程）请见如下：

MolAICal官方主页：https://molaical.github.io

MolAICal中文博客：https://molaical.github.io/cntutorial.html

MolAICal blogspot：https://qblab.blogspot.com

MolAICal 文章介绍：https://doi.org/10.1093/bib/bbaa161

1.简介

一种新药的研发大概需要耗费26亿美元。即使有大量资金的投入，90%的新药仍会在临床试验和获批上市过程中夭折[1]。本教程介绍了MolAICal基于人工智能和分子对接进行药物虚拟筛选的流程，其中model.pdb是优化的蛋白质模型文件，你可以替换成自己的蛋白质模型。此方法将帮助药物学家、化学家及其它领域的科学家根据靶点的活性口袋合理设计药物。

2.工具

2.1. 所需软件下载地址

1)     MolAICal(win64 or linux64): https://molaical.github.io

2)     UCSFChimera: https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/

3)     MGLTools:https://ccsb.scripps.edu/mgltools/downloads/

4)     Python:https://www.python.org/

5)     Pymol:http://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs

-----此处为pymol的安装方法-----

前四个软件的安装相对简单，可根据提示轻松完成安装。Pymol的安装需要numpy, pmw, pymol_launcher 和 pymol组件，上述四个组件的版本需要与你操作系统上选择的Python版本保持一致，这些组件可在下面的网站下载：  https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#numpy

https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#pymol-open-source

下载后把对应版本的numpy, pmw, pymol_launcher 和 pymol组件放到同一个文件中，使用以下命令安装Pymol:

#> pip install --no-index --find-links="%CD%" pymol_launcher

Pymol软件名称为“pymol.exe”将安装在Python目录下的“Scripts”文件夹中。你可以在桌面创建此软件的快捷方式。确保所有的软件正确安装。

-----pymol的安装方法结束-----

2.2. 操作示例文件

所有用到的操作教程文件均可在下面的网站下载：

https://github.com/MolAICal/tutorials/tree/master/002-AIVS

3.操作流程

这一步是在分子对接前的蛋白质结构处理。如果你熟悉Autodock vina，请自动忽略该步。你可以在https://youtu.be/-GVZP0X0Tg8 网站上观看或者在http://vina.scripps.edu/tutorial.html网站上下载该步的教程视频进行学习。为了使本教程更加完善，处理蛋白结构的步骤陈述如下：

3.1. 使用UCSFChimera将蛋白质和配体结构分开

1)  首先，在UCSF Chimera中载入复合物结构。File-->Open-->model.pdb (如图1所示)

图1.载入蛋白结构文件

2)  选择配体LIG并将其删除 (如图2所示)。使用图2中相同的方法将水HOH选中并删除。

图2. 选中并删除配体

3)  保存没有配体的蛋白质结构并且命名为“protein.pdb” (如图3所示)。

图3. 保存蛋白质结构

4)  关闭本次会话, 重新载入“model.pdb”, 选择配体，反选并删除反选的蛋白 (如图4所示)。

图4. 选中并删除受体蛋白

5）将配体文件保存为“ligand.pdb” (如图5所示)。

图5.保存配体文件

3.2. 计算盒子质心和长度

1. 参照上述步骤选择配体或者重新载入“ligand.pdb” 并选择配体。然后选择距离工具： Tools-->Structure Analysis-->Distance (如图6所示):

图6.选择距离工具

2.根据配体计算蛋白质活性口袋的质心坐标 (如图7所示)。

图7.获得质心坐标

创建 “conf.txt” 并将质心坐标写入该文件：

--------------------------------------------------------------------------------

center_x= -10.733

center_y= 12.416

center_z= 68.829

--------------------------------------------------------------------------------

注意: 配置文件的文件名 “conf.txt” 是固定的。 如果你使用其它字母创建文件名，MolAICal 将不能识别该文件名。

3.设置对接盒子的体积

计算最终盒子尺寸。你可以将X, Y, Z长度分别设置为25, 30, 25。在MolAICal中使用下文提到的命令生成“box.bild”(注意: X, Y, Z 坐标的双引号是必须添加的，X, Y, Z坐标之间的间隔为一个空格。):

1) 执行以下命令，获得“box.bild”:

#> molaical.exe -tool box -i  "-10.733 12.416 68.829" -l "25.0 30.0 25.0" -o "box.bild"

2)  File-->open，然后打开“box.bild”，检查生成的盒子大小是否合适 (如图8所示)。

图8. 使用UCSF Chimera打开box.bild

如上图所示盒子大小25, 30, 25 是合适的，因此确定最终质心参数为-10.733, 12.416, 68.829，最终盒子沿X, Y, Z轴的长度为25.0, 30.0, 25.0。

注意:如果你用VMD软件计算了几何中心，最终的中心点参数将是-10.86,12.57, 68.82。这两种方法得到的结果都可以用于本教程，本教程暂使用UCSF Chimera算出来的质心坐标。

3.3.虚拟筛选前将蛋白质结构转换为PDBQT格式

1. 打开“AutoDockTools”, File-->Read Molecule-->protein.pdb, 加上极性氢 (如图9所示)。

图9.加极性氢

2. 将蛋白保存为PDBQT格式。Grid-->Macromolecule-->Choose…，然后点击“protein”选择 “Select Molecule” ，将蛋白结构保存为“pro.pdbqt” (如图10所示).

图10. 用PDBQT格式保存蛋白

到处为止所有文件准备就绪。

3.4. 用深度学习模型和分子对接进行虚拟筛选

#>cd 002-AIVS

最后在后台运行以下命令:

Linux系统:

#>molaical.exe -dock AI -s ZINCMol -n 6 -nf 3 -nc 3 >& vs.log &

-n: 代表对接产生的总分子数目

-nf: 单个文件夹中包含的分子数量

-nc: 执行命令使用的CPU数

Windows系统(使用PowerShell):

#>molaical.exe -dock AI -s ZINCMol -n 6 -nf 3 -nc 3

如果要在后台运行,请执行下面的命令：

#>powershell -windowstyle hidden -command “molaical.exe -dock AI -s ZINCMol -n 6 -nf 3 -nc 3”

如果你想依据已知的药物数据库进行经典的虚拟筛选，可以参考MolAICal教程中药物设计部分的第三部分(https://molaical.github.io/tutorial.html)。

4.结果

你可使用OpenBabel将分子的PDBQT格式转化为PDB格式，然后在使用UCSF Chimera打开查看结果。Pymol可以直接载入PDBQT格式的分子。本教程使用Pymol 软件 (http://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs) 展示结果 (如图11所示)。结果显示MolAICal通过深度学习模型和分子对接程序获得了与现有配体相似的类似物。

图11. 绿色配体N3是原蛋白受体的抑制剂，黄色配体由深度学习模型和分子对接计算而得。

参考文献

1.     Fleming N. How artificialintelligence is changing drug discovery, Nature 2018;557:S55-S55.