1. AT&T软件简介

Automatic Tailoring and Transplanting (AutoT&T v2.0)软件1-3用于基于靶标结构的药物分子设计,可以实现先导化合物的从头设计以及结构优化等一系列功能。它可以对指定先导化合物的化学结构进行自动剪裁和移植,选取源自于虚拟筛选结果的参考分子库中与靶标蛋白结合较好的片段,嫁接到先导化合物上需要进行改造的位点,从而得到可能与靶标蛋白具有更好结合能力的分子结构。图 1给出了AutoT&T用于先导化合物结构优化的示意图。通常来说,在虚拟筛选中绝大多数分子在整体上并不适合靶标蛋白的结合部位,因此无法成为有效的先导化合物,但是它们的部分结构片段(绿色部分)与靶标蛋白结合部位的特定部分可以形成很好的匹配。通过应用AutoT&T软件,可以自动判断并将此类与靶标蛋白结合较好的结构片段嫁接到指定的先导化合物之上,从而实现对先导化合物的结构优化目的。

AT&T原理

图1. AT&T算法示意图

2. AT&T软件的整体结构

AutoT&T软件主要由剪裁和移植模块以及后续处理模块组成(图 2)。其中剪裁和移植模块用于分析靶标蛋白、先导化合物和参考分子库。通过化学键匹配的方法找出参考分子库中可以用于移植的结构片段,将其中亲合性预测值高于先导化合物上相应子结构的片段嫁接到先导化合物上,从而形成新的分子。在剪裁和移植过程中,用户可以指定先导化合物上的一根或多根化学键作为优化位点,此时AutoT&T软件将根据用户指定的优化位点在参考分子库中查找可以与之相互匹配的化学键,然后根据这些化学键对相应的分子进行结构剪裁,最后将结构剪裁得到的合适的结构片段移植到先导化合物上,从而得到新的结构优化的分子。此外,AutoT&T软件也可以根据参考分子库与先导化合物上化学键的匹配情况自动选择合适的优化位点,从而将参考分子库中与靶标蛋白结合较好的部分移植到先导化合物结构中。

AT&T的整体结构设计

图2. AT&T的整体结构设计

在AT&T软件中,化学键的匹配是建立在化学键空间位置重叠的基础上。AT&T软件中提供了两套判断化学键之间是否匹配的方法,它们分别是基于原子对的化学键匹配方法和基于键中心的化学键匹配方法(表 1),在使用AT&T的过程中,用户可以选择其中任意一种方法进行匹配化学键搜索。在找出所有的匹配化学键之后,AT&T软件还可以使用反合成组合分析策略(Retrosynthetic Combinatorial Analysis Procedure,RECAP)对匹配化学键进行过滤,选择其中容易断裂的化学键进行结构剪裁。接下来根据对靶标蛋白结构的分析,采用基于经验打分函数PLP对剪裁之后得到的结构片段进行亲合性预测,通过与先导化合物上相应结构片段的亲合性预测结果进行比较,将高亲合性的结构片段移植到先导化合物上,从而产生新的分子作为先导化合物结构优化的结果。

表1. 判断化学键相互匹配的两种方法

化学键匹配方法 示意图 匹配条件
基于原子对 基于原子对的匹配
  1. 两根化学键都不属于环上的化学键。
  2. 其中一根化学键两端的原子与另一根化学键两端相应的原子之间的距离r1和r2都不大于1.0 Å。
  3. 两根化学键之间的夹角θ小于等于15°。
基于键中心 基于化学键匹配
  1. 两根化学键都不属于环上的化学键。
  2. 两根化学键的中心距离d不大于0.5Å。
  3. 两根化学键之间的夹角θ小于等于15°。


对于先导化合物结构优化的结果,可以使用后续处理模块将它们放在靶标蛋白的活性口袋中进行能量优化、预测它们与靶标蛋白的亲和性、进行聚类分析以及类药性过滤,最后输出它们的结构。同时这些新生成的分子也可以作为新一轮剪裁和移植的起始结构,继续优化以得到亲和性预测值更高的分子。

3. AT&T与其它从头设计方法的比较及其优势

相对于传统的从头设计方法(de novo design),AT&T软件具有以下优点:

3.1 采用灵活方便的参考分子库来构建高成药性的分子

传统的从头设计方法需要使用一个预制的化学片段库(fragment library)。这样一个片段库原则上要重构整个化学空间,在设计以及使用中存在诸多限制。AutoT&T的算法设计避开了这个问题。AutoT&T用于搭建分子的化学片段均取自用户指定的一个外部“参考分子库”。该库中所有的分子都是完整的分子,用户只需采用任何分子对接方法将这些分子对接入靶标蛋白的结合部位中,即可完成准备工作,无需任何其他特殊操作。由于AutoT&T用于搭建分子的化学片段均取自真实存在的分子,其所生成的分子在化学结构的合理性和合成的可能性方面具有天然的优势。

AutoT&T V2方法学

图3. AutoT&T的裁剪与移植。(a) 首先识别出先导化合物分子与参比分子之间匹配的一对化学键; (b)然后将先导化合物分子与参比分子沿着匹配的键裁剪为两对片段;(c)最后,将来自参比分子 理想的片段移植到先导化合物分子上以生成新分子。移植的新片段比先导化合物分子原有的片段具有更好的结合亲和力。

另外,用户也可以根据靶标蛋白的特点,构建特殊的参考分子库,从而实现定制化(customized)的药物分子设计。例如,如果用户选择的靶标是某种蛋白激酶,用户可以收集文献中已知的该激酶的抑制剂构成一个参考分子库,那么应用AutoT&T所得到的分子设计方案将完全体现出这些分子的特点,有望提高设计的成功率。

3.2 超高的执行效率

由于不使用预制的片段库,AutoT&T的算法设计从根本上避免了拼装片段过程中的“组合爆炸”问题。在选择进行移植的子结构时,AutoT&T软件使用了匹配化学键以及亲合性预测对用于移植的子结构进行过滤。只有满足匹配化学键条件并且亲合性预测值高于先导化合物中相应部分的子结构,才考虑进行结构移植。AutoT&T软件还使用反合成组合分析策略(RECAP)对匹配化学键进一步过滤。另外,AutoT&T使用的所有参考分子事先已经通过分子对接放置在靶蛋白的结合部位中,在拼装分子过程中无需进行新化学键的二面角构象搜索。由于以上原因,AutoT&T极大地提高了执行效率。在若干测试中,AutoT&T完成同样工作的效率是传统从头设计方法的10倍以上,并且可以输出结构多样性更好、亲合性打分更高的设计方案。

3.3 丰富的配套功能

  • 生成新的先导化合物
  • 除了实现对指定先导化合物进行结构优化之外,在先导化合物结构未知的情况下,AutoT&T软件可以将参考分子库中的每一个分子作为先导化合物,利用其他的结果对其进行剪裁和移植,从而可能组合得到新的先导化合物。

  • 在靶标蛋白的活性口袋中进行能量优化
  • 针对新生成的配体分子结构,AutoT&T软件中包含了Optimize模块,该模块可以采用Tripos或AMBER分子力场在靶标蛋白的活性口袋中对剪裁和移植得到的新分子进行能量优化,从而得到新分子与靶标蛋白更合理的结合模式。

  • 快速有效地预测分子的亲和性
  • AutoT&T软件中包含了Score模块,该模块采用了基于经验的打分函数piecewise linear pairwise (PLP)对分子的亲合性进行预测。Score模块中采用的PLP亲合性预测方法不但计算速度快,而且在多个测试集的测试中都取得了较好的预测结果4,5

  • 按照结构相似性进行聚类分析
  • 考虑到剪裁和移植之后可能会产生较多的新分子,AutoT&T软件中整合了聚类分析模块。该模块可以对这些新分子按照结构相似性进行聚类分析,方便用户检验AutoT&T的设计方案,快速发现其中的一些典型结构。

  • 进行类药性过滤
  • AutoT&T软件中的Filter模块可以使用包括分子量、重原子个数、氢键给体数目、氢键受体数目、氢键给体数目、可旋转键数目、环的个数以及logP数值等对剪裁和移植产生的新分子进行过滤,实现对设计分子“成药性”的初步判断。

4. 程序模块介绍

表2列出了AT&T程序包中的所有程序,其中剪裁和移植模块中的程序包括LeadOpt、GrowLeadOpt和LinkLeadOpt,后续处理模块中的程序包括Optimize、Score、Cluster和Filter。

表 2. AT&T程序包中包含的模块程序名称及其用途

名称 用途
LeadOpt 适用于任意类型先导化合物的自动剪裁和移植程序。2.0版新增了多先导化合物优化模式和交叉优化模式。
GrowLeadOpt 基于生长法的自动剪裁和移植程序,针对图 4(左)类型的先导化合物进行结构优化。
LinkLeadOpt 基于连接法的自动剪裁和移植程序,针对图 4(右)类型的先导化合物进行结构优化。
Optimize 能量优化程序,在靶标蛋白的活性口袋中对配体分子进行能量优化。
Score 亲和性预测程序,采用经验打分函数预测配体分子与靶标蛋白的亲和性。
Cluster 聚类分析程序,用于对新产生的分子按照结构相似性进行聚类分析。
Filter 类药性过滤程序,使用包括分子量、重原子个数、氢键给体数目等参数对分子进行过滤。



mode of AT&T

图4. 先导化合物优化中的“生长模式”和“连接模式”(图中绿色片段为指定的先导化合物)

5.适用对象:所有对药物分子从头设计感兴趣的用户都值得拥有AutoT&T

AutoT&T软件可以实现先导化合物的自动构建和结构优化等一系列功能。在基于靶标结构的药物分子设计中,该软件可以作为产生配体分子三维结构的强大工具,突破人脑思维和已有知识的限制,提供全新的设计灵感。该软件采用了结构拼接构建配体分子的全新思路,突破了传统从头设计方法(De Novo design)需要使用预制片段库(fragment library)的做法,执行效率是传统从头设计方法的10倍以上,且能产生结构多样性更好、成药性更强的分子设计方案。该软件还可以实现多线程先导化合物优化、共价结合配体分子的设计等特殊功能。另外,用户可以根据选定的靶标蛋白,灵活选择个性化的参考分子库,进一步提高分子设计方案的合理性。

6. 操作系统与软、硬件要求

目前向用户提供的版本为AutoT&T V2, 该软件可以在Windows平台或Linux平台上以命令行方式运行。使用普通配置的桌面工作站通常在10分钟内就可以完成一个常规任务。提供给用户的软件包内包括在两种平台上运行的可执行代码、英文用户手册以及执行若干算例所需的分子结构文件。

7. 算例

7.1 VEGFR-2抑制剂的多起点优化(Multithread Optimization)

文章《AutoT&T 2.0算例 | VEGFR-2抑制剂的多起点优化》将12个已知的VEGFR-2抑制剂对接到蛋白结构里,然后用AutoT&T 2进行多起点优化计算,不同来源的打分高的片段被识别、裁剪、移植重组成新化合物,并与BREED方法比较,结果表明:

  • 比传统的BREED方式,AutoT&T 2生成了更多的新化合物;
  • 比起传统的BREED方式,AutoT&T 2生成了更多的结构类型、具有更好的结合亲和力、具有更好的合成可行性;
  • 两者都生成了已知的VEGFR-2抑制剂

7.2 AutoT&T与基于片段的虚拟筛选联用进行从头设计

《Ligandscout教程 | 基于片段的虚拟筛选联用AutoT&T进行从头设计》一文演示了如何将Ligandscout的基于片段虚拟筛选与AutoT&T 2联合使用,实现化合物的从头设计。首先用Ligandscout进行基于结构的药效团模型识别;再将选定的药效团特征设置为optional进行基于片段的虚拟筛选;最后用AutoT&T 2将命中的片段链接到先导化合物的保留片段上生成全新的化合物。

8. 文献

  1. Li, Y.; Zhao, Y.; Liu, Z.; Wang, R. Automatic Tailoring and Transplanting: A Practical Method That Makes Virtual Screening More Useful. J. Chem. Inf. Model. 2011, 51 (6), 1474–1491. DOI:10.1021/ci200036m
  2. Li, Y.; Zhao, Z.; Liu, Z.; Su, M.; Wang, R. AutoT&T v.2: An Efficient and Versatile Tool for Lead Structure Generation and Optimization. J. Chem. Inf. Model. 2016, 56 (2), 435–453.DOI:10.1021/acs.jcim.5b00691
  3. 中科院上海有机化学研究所,王任小等: (a) FWCluster基于骨架的分子结构聚类软件V1.0,登记号:2014SR135139,获批时间:2014.09.09;(b) AT&T先导化合物发现及结构优化软件 v2.0,登记号:2013SR160292,获批时间:2013.12.27; (c) 先导化合物的发现及结构优化软件AT&T v1.0,登记号:2009SR061028,获批时间:2009.12.31.
  4. Cheng, T.; Li, X.; Li, Y.; Liu, Z.; Wang, R. Comparative Assessment of Scoring Functions on a Diverse Test Set. J. Chem. Inf. Model. 2009, 49 (4), 1079–1093.DOI:10.1021/ci9000053
  5. Li, Y.; Han, L.; Liu, Z.; Wang, R. Comparative Assessment of Scoring Functions on an Updated Benchmark: 2. Evaluation Methods and General Results. J. Chem. Inf. Model. 2014, 54 (6), 1717–1736.DOI:10.1021/ci500081m

9. 互补软件

9.1 结合自由能计算软件WaterSwap

AutoT&T设计出来的分子可以进一步用WaterSwap精确计算化合物与靶标的结合自由能。

9.2 分子对接软件

AutoT&T使用对接好的参比分子库做为输入文件生成新分子。将Lead Finder、GOLD、GLIDE、Surflex-Dock、AutoDock与Vina等分子对接软件的虚拟筛选结果都可以作为AutoT&T的参比分子库,提供给AutoT&T作为输入文件进行先导化合物优化(分子生长、片段链接策略)、全新分子生成。

9.3 基于药效团的虚拟筛选软件LigandScout

Ligandscout可以实现基于结构的药效团虚拟筛选与片段虚拟筛选,其虚拟筛选结果可以作为AutoT&T的输入生成新的结构,具体实例请参考博文:Ligandscout教程 | 基于片段的虚拟筛选联用AutoT&T进行从头设计

10. 软件授权与采购

AutoT&T软件由中国科学院上海有机化学研究所王任小研究员课题组开发,广州市墨灵格信息科技有限公司作为合作伙伴提供销售与技术服务,为国内学术和商业客户提供价格优惠的永久软件使用授权。

  1. 在线试用
  2. 网址:http://www.sioc-ccbg.ac.cn/software/att2/index.php?action=demo

  3. 本地试用
  4. 签署授权书:下载软件试用授权书(商业用户版,学术用户版)、签字、并扫描后寄回:info@molcalx.com。请确保您的申请信息是正确的,我们审核通过后,就会安排软件下载与激活软件。软件被激活后,试用有效期1个月。

  5. 激活软件
  6. 本地使用需要下载加密狗驱动以便激活软件:Linux X86_64版, Windows版, Mac版