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PROTAC三元体结构预测与linker设计

127 人使用过此工具

预测靶蛋白(POI)、E3连接酶、PROTAC三元体复合物三维结构,评估不同长度linker片段形成PROTAC分子的合理性。

分类 : PROTAC

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PROTAC分子可以同时结合靶蛋白与E3连接酶,在空间上拉近两者之间的距离,从而引起靶蛋白在细胞内的降解。PROTAC分子通常由三部分组成:结合靶蛋白的小分子,又称弹头分子(warhead);结合E3连接酶的小分子配体(E3 ligand),以及连接两个分子的linker片段。Linker片段的设计是决定PROTAC分子降解效果的关键因素之一。这里我们提供了在线的linker设计工具,可以帮助用户评估不同长度的烷基或PEG2-30个原子)片段对三元体复合物形成的影响。用户上传靶蛋白与弹头分子复合物结构,以及E3连接酶与小分子配体的复合物结构,工具自动评估不同的linker片段并生成相应的靶标蛋白-PROTAC-泛素连接酶三元复合物三维结构。该工具从空间结构、能量状态、化学可合成性等角度全面考虑PROTAC分子的合理性,从计算上评估PROTAC分子对三元复合物形成的影响,最终推荐优化的PROTAC分子结构。


输入:POI与片段分子复合物结构,或E3连接酶与配体片段的复合物结构,选定linker类型(烷基链或PEG链);

输出:不同长度linker装配获得的三元体复合物结构,构象数及能量评分列表等。


POI弹头片段分子复合物结构,或E3连接酶与配体片段的复合物结构可从PDB库(https://www.rcsb.org/)检索并下载获得,也可以从蛋白-小分子对接工具获得。若需要构建结构或设计不同于烷基链与PEG链的linker,可联系我们进行定制化人工服务(info@pumeirui.com)。


每次PROTAC预测运算耗费1000点数。时间周期12小时左右。



BRD4BET (Proteins of the bromodomain and extra-terminal ) 蛋白家族中的一员,是热门的癌症靶蛋白之一。本实例实施采用BRD4与其弹头分子(JQ1衍生物)复合物文件(BRD4_complex.pdb),CRBN与其小分子配体(pomalidomide)复合物文件(CRBN_complex.pdb),具体实施步骤如下所示。

第一步:进入PROTAC三元预测界面,开始运行。


第二步:输入任务名称,选择linker类型。


第三步:上传靶蛋白与弹头分子复合物结构文件(注意:pdb文件中需要包含connect信息以保障小分子化学结构的正确性)。



第四步:选择弹头分子连接原子坐标。

第五步:上传E3酶与配体分子复合物文件(注意:pdb文件中需要包含connect信息以保障小分子化学结构的正确性)。

第六步:选择配体分子连接原子坐标。


第七步:阅读免责声明后提交。

第八步:确认上传参数;如需修改点击“再看看”,确认无误后点击“确定”。任务一旦提交无法更改或取消,请用户仔细核对!


结果输出:采用改进的CoDOCK对接算法将靶蛋白(POI, protein of interest)与弹头分子的复合物,以及E3连接酶(E3 ligase)与配体复合物结构进行分子对接,搜寻匹配较好的结合构象,并保留前100个能量最佳的结合态构象(TOP100)。根据用户选定的linker类型,将其装配到TOP100复合物构象中,评估能量并保留可行的PROTAC构象,具体结果如下所示:

第一步:查看结果。





第二步:查看结果报告

第三步:查看、下载报告

第四步:结果分析

1、1. 构象分布表。其中link_id为连接片段名称;link_2D为连接片段化学结构;pose_id为蛋白构象(pose)在TOP100中的排序位置;conf_num为可产生的合理protac构像数。Linker具有一定柔性,在某个特定的蛋白构象情况下,有效的linker可以产生多个合理的连接构象;另外,linker亦可连接多个蛋白构象。如表中C3pose_id13的蛋白构象情况下可以产生16个合理的protac构象,同时C3pose_id13,24,28,43,46,66,997个蛋白构象中均可产生合理的protac构象,合理protac总构像数为501,这提示C3是一个有效的linker片段。总的来说,linker在不同蛋白pose中可以产生的合理PROTAC构象数越多,说明该linker连接形成的PROTAC分子越有可能在实验中有效。在文献中[1],连接原子为3的烷基链PROTAC分子被证实在细胞内确实可以有效降解BRD4。在分子视窗中,选定连接片段以及蛋白构象,可显示三元体复合物结构及当前条件下所有合理的PROTAC构象。

2. 连接原子距离概率分布表。TOP100个蛋白构象中,用户选定的连接原子在三维空间中的距离概率分布。如连接原子在0-1Å1-2Å2-3Å3-4Å距离范围内概率分布为0,说明没有满足条件的蛋白构象存在,说明连接片段太短可能无效。在文献实验数据中,两个C原子的短片段连接形成的PROTAC分子在细胞中不能降解BRD4靶蛋白。距离概率分布表可提示可能的linker长度,用户可根据该表评估自行设计相应长度的linker结构。



3. 三元体复合物结构能量打分。其中link_id为连接片段名称; pose_id为蛋白构象(pose)在TOP100中的排序位置;cluster_idlinker构象成簇的编号;cluster_numlinker成簇后某簇中的构像数;pr_energy为三元体中蛋白-蛋白相互作用能;frag_energy为三元体中蛋白与原片段分子的相互作用能;protac_energy为三元体中蛋白与linker连接完成之后PROTAC分子的相互作用能;total_energy为三元体复合物总体能量;distance为三元体中连接原子之间的距离。

第五步:查看分子视图;选定linker类型,选定蛋白构象,窗口中显示靶蛋白-PROTAC-E3连接酶结构,其中PROTAC分子为多个可能的构象。


下载文件包说明

压缩包解压后将获得一个与任务ID同名的文件夹,现说明如下:

1. all_energy.txt:每个任务对应的Linker ID, 蛋白构象ID, linke构象成簇编号,linker成簇后某簇中的构象数,蛋白-蛋白相互作用能(kcal/mol),蛋白与原片段分子的相互作用能(kcal/mol),PROTAC分子的相互作用能(kcal/mol),三元体复合物总体能量(kcal/mol),连接原子之间的距离(Å);

2. Dist_distribution.txt:每个任务对应的连接原子距离及该距离构象百分比

3. Protac_conf_number.txt:每个任务对应的linker ID,蛋白构象ID和合理protac构象数;

4. 子文件夹rawdata:用户上传参数和文件,说明如下:

1args.txt —用户上传参数信息;

2Input_L.pdb用户上传的靶蛋白与弹头分子复合物结构文件;

3Input_R.pdb用户上传的E3酶与配体分子复合物结构文件

5. 子文件夹result_screen为此次任务对接输出结果文件,包含多个以linker名称命名的子文件夹(C2~C30)。每个子文件夹中有多个以docking pose ID命名的文件夹(Top_n),Top_n文件夹中包含此docking pose ID对应的蛋白构象(Topn_protein.pdb)、此蛋白构象下能产生的所有Cn protac构象(Generated_mols_clash)和一个含有构象成簇后的代表构象文件夹(protac_cluster_conf),例如:

1文件夹C10—以C10linker的对接结果文件夹;

2文件夹C10的子文件夹Top_4Docking pose IDTop4的对接结果文件夹

3Top_4文件夹中的Top4_protein.pdb对应的蛋白构象;

4Top_4文件夹中的Generated_mols_clash对应的蛋白构象能产生的所有C10 protac构象;

5Top_4的子文件夹protac_cluster_conf—构象成簇后的代表构象文件夹,包含一个或多个代表构象;

参考文献

Qin C, Hu Y, Zhou B, Fernandez-Salas E, Yang CY, Liu L, McEachern D, Przybranowski S, Wang M, Stuckey J, Meagher J, Bai L, Chen Z, Lin M, Yang J, Ziazadeh DN, Xu F, Hu J, Xiang W, Huang L, Li S, Wen B, Sun D, Wang S. Discovery of QCA570 as an Exceptionally Potent and Efficacious Proteolysis Targeting Chimera (PROTAC) Degrader of the Bromodomain and Extra-Terminal (BET) Proteins Capable of Inducing Complete and Durable Tumor Regression. J Med Chem. 2018 Aug 9;61(15):6685-6704.





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