Aquasite
导言
水分子广泛存在于药物靶标蛋白中，对于药物与靶标蛋白相互作用具有重要贡献。在药物设计中，替换药物分子周围的关键水分子、将药物分子与水分子形成相互作用，是优化化合物结构的有效方法。近年来，涌现出一系列通过合理替换水分子，提高化合物的结合活性、增强化合物的选择性、改善其药动学性质的案例。
Trujillo [1] 等人设计了一系列hH-PGDS抑制剂先导化合物（化合物 9, 11, 13, 14），通过对两个关键水分子（文献中称之为primary water、auxiliary water）进行替换，探索了化合物亲和力的变化趋势。Trujillo等人的实验结果为: 替换auxiliary water，得到化合物11，其活性比化合物9下降了2~3倍；替换primary water，得到化合物13、14，其活性比化合物9下降了百倍。这表明 primary water 比 auxiliary water在热力学上更加稳定。
在本教程中您将学习使用Hermite平台的Aquasite模块，重点考察在hH-PGDS抑制剂先导化合物中两个关键水分子（primary water，auxiliary water，本教程中分别称为water 1、water2）的位置预测准确性和结合自由能，并通过计算水分子的自由能差值来评估water 1和 water 2的稳定性和重要性，为药物分子设计提供指导思路。
此文献中设计化合物使用的template：
| Compound | R1 | hH-PGDS IC50(nM) | PDB ID |
| 9 |  | 2.34 | 4EE0 |
| 11 |  | 8.26 | 4EDZ |
| 13 |  | 1480 | 4EDY |
| 14 |  | 845 | 4EC0 |
1. 创建项目并导入结构
1.1 登录系统
1.2 创建项目
- 进入系统后，创建新项目“hH-PGDS”
1.3 导入蛋白结构
- 左侧通用菜单栏 Menu → File→ Get PDB
- 输入PDB ID：4EE0，并导入该蛋白
2. 体系准备
2.1 处理体系
-
在 Structure Hierarchy 中：
-
选中 “Protein” Chain A，删除；
-
选中 “Ligand” A 0O4 202, A GSF 203, B GSF 202，删除；
-
选中 “Others” Metal/Ions，删除；
-
选中“Solvents” 所有A HOH水分子，删除，保留B HOH水分子
-
注：可以复选进行批量删除（鼠标点击起点 ,按住Shift，鼠标点击终点，实现复选）
-
- 删除后，蛋白结构如图所示：
2.2 准备蛋白结构
2.2.1 Select Structure
- 左侧通用菜单栏Function → General → Protein Preparation
- Select Structure from 3D Workspace，注意不要选中配体小分子
- 4EE0.pdb被加载到Protein Preparation参数设置面板，点击Next
- 选择B-HOH (No.416) 水分子的位置，点击Next
2.2.2 Select Polymer、Other Groups to Keep：
- 选中B链蛋白和水分子，并点击 Next
2.2.3 Select Missing Residues to Repair
- 选中本案例中的Missing Residues
2.2.4 Prepared Settings
- 按照下图设置参数
2.2.5 命名Job并提交任务
- Job Name命名为“hH-PGDS-Protein Prepare”，点击“Submmit”提交任务
2.2.6 查看蛋白准备结果
- Protein Preparation计算任务一般在十几秒到几分钟内完成。任务完成后，通过点击Jobs，查看相应任务；
- 点击“show”按钮，将准备后的蛋白结构展示在3D Workspace内
2.3 准备配体结构
2.3.1 Select Structure
- 左侧通用菜单栏Function → General → Ligand Preparation
- Select Ligands from 3D
- 提示是否修复Ligand中可能丢失的bond information，点击Yes
- 4EE0.pdb_B 0O4 201配体被加载到Ligand Preparation参数设置面板，点击Next
2.3.2 Filters Setting
- 选中默认的参数设置，点击Next
2.3.3 Isomers
- 按照下图红框中进行Ligand Preparation参数设置（详细信息请见《Ligand Preparation》模块）
2.3.4 查看配体准备结果
- 任务完成后，通过点击该任务的show按钮，查看相应任务结果
- 点击3D按钮，在3D Workspace中显示经过处理的配体结构
3. 创建Aquasite任务
3.1 入口
- 左侧通用菜单栏 Menu → Function → General → Aquasite
3.2 Select a Prepared Protein From Project
- 选择 “4EE0_pdb_prepared” 作为准备后的蛋白结构，点击 OK
- 点击 OK 后，系统会自动检查输入的蛋白是否符合计算要求，状态为“Processing”
- 大约不到1分钟，系统会判断该蛋白为“Valid”状态，点击“Next”
3.3 Select Prepared Reference Ligand
-
点击 “From 3D”；
-
在Entry List中Ligand Preparation_Result目录下点击show 4EE0.pdb_B0O4201_isomer0 结构；
-
在 “Structure Hierarchy”中选择 4EE0.pdb_B0O4201_isomer0
-
在“Select Ligands” 窗口中点击 OK。
-
该配体结构将被载入 “Selected File”。系统会自动检查输入的Ligand是否符合计算要求，状态为“Processing”，随后，系统会判断该配体为“Valid”状态。
-
点击Next
3.4 Confirm and Setting
-
“Analyze the Wate around the Ligand in”修改为6.0（保证要分析的水分子在配体周围指定的范围内）；
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勾选 “Calculate with Reference Ligand”选项；
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“Simulation Time” 修改为 10 ns（模拟时间越长计算准确度越高，相应地计算时间也会增加）；
-
“Job Name” 命名为 “Aquasite-tutorial”；
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其余参数保持默认值，点击“Submmit”提交任务。
4. 结果分析
4.1 入口
- 左侧通用菜单栏Job → Job List，找到“Aquasite-tutorial”计算任务，点击 “Show”
4.2 结果展示
-
调整3D Workspace的分子视角，重点展示配体与预测水water 1（红色圆圈内分子），water2（蓝色圆圈内分子）的位置与自由能（共晶水分子以传统的Ball&Stick模式显示）。
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从图中结果中可以发现，预测water 1、2的位置与各自标记圈内的共晶水分子的位置几乎一致。这表明，Aquasite预测结合水位置相对准确。
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water 1 的ΔG 为-3.539 kcal/mol，water 2的ΔG 为3.461 kcal/mol。这表明：water 1 比 water 2 更加稳定，更加重要；对此类水分子进行替换或置换可能会对化合物结合亲和力产生较大的影响，Trujillo等人的实验结果中，R基团的变化会导致较大活性差异，我们预测的结果与文献一致。
5. 参考文献
[1] Trujillo, John I., et al. "Investigation of the binding pocket of human hematopoietic prostaglandin (PG) D2 synthase (hH-PGDS): A tale of two waters." Bioorganic & medicinal chemistry letters 22.11 (2012): 3795-3799.