VirteousPocketome：一种用于筛选蛋白质-配体复合物以识别相似结合位点的计算工具

2024-03-28

摘要蛋白质结合口袋内的氨基酸残基在确定能与蛋白质相互作用的配体范围方面起着至关重要的作用，影响其结构和功能。识别蛋白质中的结构相似性可以为其功能和激活机制提供宝贵的见解，有助于预测蛋白质-配体相互作用，预测非靶效应，并促进治疗剂的开发。虽然出现了许多评估蛋白质空腔中全局或局部相似性的计算方法，但它们的应用受到复杂性、对氨基酸模式搜索的不切实际的自动化以及无法评估受审查的蛋白质-配体系统的动态的阻碍。在这里，作者提出了一个名为VirtuousPocketome的通用、自动且无偏见的计算流程，旨在从感兴趣的蛋白质-配体复合物开始筛选大量蛋白质数据库中具有相似结合口袋的蛋白质。作者通过探索最近解析的人类苦味受体（即TAS2R46）与马钱子碱结合的复合物来展示该流程的潜力。作者发现了与分析的苦味受体具有相似结合位点的145个蛋白质，并且富集分析突出显示了相关的生物过程、分子功能和细胞组分。这项工作为未来旨在理解味道物质在味觉系统之外的有效作用奠定了基础：这可能为合理化饮食作为标准药物治疗的补充以及设计针对特定疾病或疾病的其他蛋白质的新型味觉物质化合物铺平了道路。所提出的流程可公开访问，可应用于任何蛋白质-配体复合物，并可扩展到筛选任何蛋白质结构数据库。方法在本研究中，作者介绍了一种名为VirtuousPocketome的新型计算流程，旨在识别与目标受体结合位点相似的蛋白质结合位点。该流程旨在解决结构生物学和药物发现中的几个挑战，包括预测蛋白质-配体相互作用、探索非靶效应以及促进药物重定位和多靶点治疗。与以往的方法不同，作者的方法考虑了蛋白质-配体相互作用的动态性，通过分析来自分子动力学模拟的多个结合位点构型。此外，它自动化了关键结合相互作用的识别，并采用多步骤过滤过程来精确结果。作者应用这一流程来筛选人类蛋白质组，寻找表现出与TAS2R46苦味受体结合位点相似的氨基酸模式的蛋白质，揭示了超出味觉知觉范围的潜在意义，如在营养、稳态和疾病方面的作用。图1：VirteousPocketome 整体工作流程流程图该计算流程的主要步骤分为四个主要部分：模式创建、相似性搜索、多步骤过滤和丰富度和信号通路分析。VirtuousPocketome基于四个主要步骤：（i）模式创建步骤，该步骤识别了参与调查的蛋白质-配体复合物相互作用的最重要残基；（ii）相似性搜索步骤，其中对已解析的人类蛋白质组进行筛选，寻找与先前步骤中检索到的相似模式；（iii）多步骤过滤步骤，仅保留具有有效可访问的结合位点并且对查询配体具有一定结合亲和力的蛋白质；（iv）功能富集和信号通路分析，该分析确定了与先前步骤中识别的蛋白质有关的最重要的细胞组分、分子功能、生物过程和信号通路。VirtuousPocketome以蛋白质-配体复合物的分子结构（以及可能的分子动力学轨迹）作为输入，并输出一个共享相似结合位点的PDB结构列表。该开发的流程是自动且无偏的，并且可以应用于任何蛋白质-配体复合物。图2：相似性搜索和多步过滤结果(A) 原始人类蛋白质组数据库中的总结构数以及相似性搜索和随后的多步筛选中所选命中数。(B) 根据多步筛选过程结束时的对接评分，显示马钱子碱与最佳命中（PDB：3A4S）结合位点的视图。蛋白质以灰色呈现，马钱子碱以蓝色呈现，苦味受体原始模体中的残基以红色呈现，3A4S结构中的匹配残基以紫色呈现。图3：功能富集和信号通路分析结果条形图代表 GO 层次结构第三级中每个类别相对于生物过程 (BP)、分子功能 (MF) 和细胞成分 (CC) 的最佳 5 个检索到的 GO 术语。在数据库筛选方面，作者收集了所有实验解析的人类蛋白质组PDB结构，并对数据库进行了清理。分子建模和动力学方面，作者首先应用该流程来搜索与人类苦味受体具有相似结合口袋的蛋白质，这一过程应用于最近解析的TAS2R46人类苦味受体。作者利用分子动力学模拟对TAS2R46苦味受体系统进行了模拟，包括系统设置和模拟协议。结论在这项研究中，开发了一种名为VirtuousPocketome的新型计算流程，用于筛选人类蛋白质组，以寻找与特定蛋白-配体复合物具有相似结合位点的蛋白质，以TAS2R46苦味受体与马钱子碱结合作为测试案例。该流程包括四个主要步骤：模体创建、相似性搜索、多步筛选和功能富集分析。通过分子动力学模拟识别与马钱子碱相互作用的重要残基表示的模体，然后使用ASSAM代码对人类蛋白质组进行相似性搜索。基于溶剂可及性和对接亲和力的多步筛选将命中减少到257个结构。功能富集分析显示代谢过程、蛋白结合功能和主要定位于细胞质和细胞膜。该流程提供了一种系统化方法，用于识别原始受体以外的配体潜在的次级靶点，为了解其更广泛的生物效应以及在个性化治疗或食品设计中的潜在应用提供了见解。参考资料：Pallante, L., Cannariato, M., Androutsos, L. et al. VirtuousPocketome: a computational tool for screening protein–ligand complexes to identify similar binding sites. Sci Rep 14, 6296 (2024). https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41598-024-56893-7版权信息本文系AIDD Pro接受的外部投稿，文中所述观点仅代表作者本人观点，不代表AIDD Pro平台，如您发现发布内容有任何版权侵扰或者其他信息错误解读，请及时联系AIDD Pro (请添加微信号sixiali_fox59)进行删改处理。本文为原创内容，未经授权禁止转载，授权后转载亦需注明出处。有问题可发邮件至sixiali@stonewise.cn关注我，更多资讯早知道↓↓↓