在先导化合物优化过程中我们经常会遇到这样一个问题一个分子的两端已经能够与蛋白形成不错的相互作用但中间的核心骨架并不理想。我们希望保留原有的关键取代基同时寻找一个新的核心结构以探索新的化学空间。这就是Scaffold Replacement骨架替换要解决的问题。在 MOE 的 Fragment-Based Drug Design 工作流中Scaffold Replacement 是利用已有蛋白–配体复合物的三维结构寻找能够保持原有取代基空间排布的新骨架。本文以 MOE 教程中的1KV2 蛋白–配体复合物为例介绍 Scaffold Replacement 的基本思路和操作流程。1. Scaffold Replacement 要解决什么问题可以先把一个配体抽象成其中Scaffold分子的核心骨架Fragment从骨架向外延伸的取代基。假设Fragment已经分别占据了两个重要的结合区域并形成了较好的蛋白–配体相互作用。我们现在希望也就是说改变中间核心但尽量不要破坏两边已有的空间排布。这样做可能用于探索不同的分子骨架、改善化合物性质或进一步优化活性。原理补充它与骨架跃迁Scaffold Hopping有什么关系Scaffold Replacement 可以理解为一种典型的Scaffold Hopping骨架跃迁思路。重点是新骨架能否在三维空间中把原来的关键取代基放在相近的位置和方向。因此一个二维结构看起来完全不同的骨架只要能够维持合适的三维几何关系也可能成为有价值的替换方案。2. MOE 是怎么寻找新骨架的Scaffold Replacement 的重要概念是Bond Vector 键矢量删除 scaffold 后保留下来的 R1 和 R2 与原骨架之间会留下两个连接方向。这些连接方向可以粗略理解为MOE 会利用这些bond vectors构建一个三维查询。随后在 fragment/linker database 中寻找有没有fragment其连接点距离、方向和空间排布能够与这些 bond vectors 匹配因此 Scaffold Replacement 的核心是“哪个新骨架能够以合适的三维几何关系重新连接这些保留部分”这也是为什么这种方法必须基于三维结构来理解。3. 为什么开始计算之前要先看原始结合模式骨架替换第一步应该是弄清楚原配体哪些部分值得保留。首先载入$MOE/sample/mol/1kv2.pdb.gz然后依次进行1. QuickPrep2. SiteView3. 查看蛋白–配体相互作用4. 打开 Ligand Interactions5. 查看 Receptor Surface。这些操作的目的是在回答两个问题哪些相互作用已经很好如果某个官能团形成了非常明确的氢键或其他重要相互作用那么后续设计时应该谨慎破坏它。结合口袋还有什么空间Receptor Surface 可以帮助观察配体周围是否存在尚未充分占据的区域以及不同取代基目前处在怎样的空间环境中。在1KV2的例子里可以关注到配体与Glu71和Asp168附近的关键氢键相互作用。这些相互作用后面还会再次出现。4. 第一步准备蛋白–配体复合物打开 1KV2 后使用MOE | RHS | QuickPrep对体系进行准备。QuickPrep 在这里主要服务于后续蛋白–配体结构优化包括结构准备质子化处理部分水分子对不同区域设置 Fixed、Tethered 和 Free atoms为后续 MM minimization 准备体系。对于本文的 Scaffold Replacement 来说不需要逐项修改默认参数按照教程使用默认设置即可。为什么这一步不能省后面的新骨架可能需要在结合口袋中进行结构优化。如果输入结构本身存在不合理的质子化、缺失氢原子或明显几何问题那么后续得到的结果也会受到影响。因此可靠的起始结构是所有 structure-based fragment design 的基础。5. 第二步确认原配体的关键相互作用使用MOE | RHS | Ligand | Ligand Interactions...打开 Ligand Interactions 图。这里区分哪些官能团负责主要相互作用哪部分是准备保留的哪部分属于准备替换的 scaffold。对于 1KV2可以关注到配体与Glu71和Asp168附近的关键氢键相互作用。这一步实际上是在给后面的骨架替换划边界保留部分 —— 准备替换的部分 —— 保留部分6. 第三步打开 Scaffold Replacement进入MOE | Compute | Fragments | Scaffold Replacement...打开Scaffold Replacement面板。这个窗口后面还会反复出现因为 MOE 的多个 Fragment-Based Design 功能都整合在类似的工作框架中。窗口中比较重要的区域包括LigandReceptorOperationLinker DatabaseDescriptor FilterModel FilePharmacophoreOutput DatabaseMinimize generated structuresScoring。本文先使用最基础的 Scaffold Replacement不加入 Pharmacophore Filter。7. 第四步告诉 MOE“我要换哪一部分”打开配体的 2D 显示MOE | Footer | 2D然后用鼠标框选中央 scaffold。选中后如果这个查询定义合理MOE 会用绿色标出待替换 scaffold显示对应的 bond vectors。教程中的查询显示这里最需要理解的是Exit Vectors。Exit Vector 是什么可以把它理解成待删除部分与保留结构之间的“出口方向”。这个例子有两个 Exit Vectors意味着保留结构 A │ ↓ [待替换 Scaffold] ↑ │ 保留结构 B新的 scaffold 必须能够同时连接这两端。因此定义 scaffold 的过程实际上同时定义了MOE 后面搜索新 fragment 时要满足的三维几何条件。8. Linker Database新骨架从哪里来教程使用的是 MOE 默认数据库$MOE/opt/linker.mdb其中包含大量 linker 的三维构象。这里非常容易产生一个误解MOE 是不是现场“生成”了一个全新的 scaffold在这个 Scaffold Replacement 示例中更准确的理解是MOE 根据当前 bond vector query在指定的 linker/fragment database 中搜索能够满足几何条件的候选结构。因此搜索结果会受到 fragment database 本身的影响。如果换成公司内部构建的 fragment/linker database搜索到的化学空间也会随之改变。这一点在之后的教程中还会专门介绍。9. Descriptor Filter 为什么突然变红了教程默认的 Descriptor Filter 中包含Weight500 TPSA[40,140] !reactive运行前点击Check FiltersMOE 会检查当前 ligand 与这些过滤条件是否兼容。教程中的 1KV2 ligand 分子量为Weight 528.68已经超过了Weight 500所以这里出现了警告。教程随后将条件修改为Weight600 TPSA[40,140] !reactive再进行搜索。这个细节很重要。Check Filters 是在提醒当前设置的筛选规则可能会把与你起始配体处于相似大小范围的新设计直接过滤掉。如果起始分子本身已经超过 500而你仍强制要求所有新结构 Weight500那么搜索空间可能会被过度限制。因此 Filter 参数不应该机械照抄。应该先问我现在希望通过这个筛选条件解决什么问题10. 开始 Scaffold Replacement 搜索设置完成后点击SearchMOE 会开始遍历 linker database 中的候选结构。运行过程中可以看到已搜索的 linkers 数量已生成的 unique molecules 数量。最终结果写入scaffrepl.mdb并在 MOE Database Viewer 中打开。到这里发生的事情可以概括成原始配体 ↓ 指定待替换 scaffold ↓ 提取 exit / bond vectors ↓ 搜索 3D linker database ↓ 找到几何匹配的新 scaffold ↓ 重新连接保留的 R-groups ↓ 生成新的 analogs11. 怎么看 Scaffold Replacement 的结果在 Database Viewer 中File | Browse...打开 Database Browser。随后逐个浏览生成的结构并与原始 1KV2 ligand 比较。真正应该看的是① 中央 scaffold 是否真的发生改变这是最基本的问题。② 两端原有取代基的空间方向是否基本保留Scaffold Replacement 的价值就在这里。如果新 scaffold 导致两端 R-groups 完全偏离原来的结合区域那么即使二维结构看起来合理也不是我们想要的结果。③ 有没有明显的蛋白–配体冲突几何上能够连接并不意味着整个新分子在口袋中一定合理。④ 原来的关键相互作用还在不在这是本教程第一次 Scaffold Replacement 最重要的结果。12. 第一次计算暴露了一个关键问题基础 Scaffold Replacement 的确生成了一批具有明显化学多样性的 analogs。而且它们能够替换中央核心同时保持 R-groups 大致相同的相对空间方向。但问题也随之出现部分新结构失去了原配体与 Glu71、Asp168 之间的重要氢键。这揭示了 Scaffold Replacement 一个非常重要的边界满足 bond vector 的几何关系并不等于一定能够保留原来的蛋白–配体相互作用。换句话说几何能够接上 ≠ 关键药效特征一定保留 ≠ 实验活性一定提高这也是为什么教程下一步没有继续盲目增加搜索数量而是引入Pharmacophore Filter用药效团约束告诉 MOE新骨架不仅要接得上还要在关键位置保留指定的氢键受体和氢键供体特征。这会是下一篇文章的核心内容。13. Scaffold Replacement 的完整思路最后把这一篇压缩成一张流程14. 这项功能什么时候比较适合用情况一核心骨架希望发生变化例如已有活性分子但希望探索不同的 central core。情况二两端取代基已经有比较明确的结合模式这时我们希望“两边尽量不动中间换一种连接方式。”情况三希望探索新的化学空间Scaffold Replacement 可以产生与原分子二维结构不同但三维取代基排列相近的 analogs。15. 使用时需要注意什么① 起始 binding mode 必须尽可能可靠如果原始 ligand pose 本身就不可靠那么根据它定义的 bond vectors 也没有可靠基础。② Bond vector 只是几何约束它不能自动保证原有氢键一定保留新分子的亲和力一定更高新分子一定能合成ADME 性质一定改善。③ 不要只看生成数量“生成 100 个”不意味着比“生成 10 个”更好。最终仍需要结合protein–ligand interactionspocket fit分子性质后续 minimization / scoringmedicinal chemistry judgment进行判断。④ Score 只能用于辅助排序后续即使加入 GBVI/WSA dG 等评分也不能把评分值直接理解为实验结合自由能或实验活性。计算结果更适合用来帮助缩小候选范围和提出下一轮实验设计假设。小结MOE 的 Scaffold Replacement 可以概括成一句话删除现有配体的一段核心骨架根据保留结构留下的三维 bond vectors在 fragment/linker database 中寻找能够维持原有取代基空间排布的新 scaffold。它解决的是“在尽量保留已有三维结合信息的前提下我还能用什么新的化学骨架连接这些关键结构”基础 Scaffold Replacement 主要解决的是几何匹配问题。但 1KV2 的例子进一步告诉我们几何匹配并不能保证关键氢键等药效特征被保留。因此下一篇将继续介绍Pharmacophore Filter怎样让骨架替换不仅“接得上”还尽量保留原来的关键蛋白–配体相互作用