Virtual Screening Workflow

1. 前言

使用分子对接进行快速的虚拟筛选，是小分子药物开发过程中常见的技术手段。Hermite®平台的Virtual Screening Workflw模块提供了高通量虚拟筛选功能。

基于学术界和工业界广泛认可的Docking引擎，深势科技的开发人员进行了GPU并行计算的深度优化，结合Hermite平台内置的海量虚拟化合物库，您可以快速完成大化学空间的虚拟筛选任务。

2. 使用方法

2.1 入口

• 左侧通用菜单栏Function → Virtual Screening → Virtual Screening Workflow。

• 右侧出现Virtual Screening Workflow窗口（红框内所示），整体界面如下：

2.2 操作

2.2.1 蛋白准备

• 蛋白结构输入，共有四种方式：

• 1）Select from 3D Workspace：点击Select from 3D Workspace选框 → 弹出Select Structure界面 → 界面左侧Structure Hierarchy/Sequence Viewer/3D Workspace 窗口选择所需蛋白结构 → Select Structure框内显示选中的蛋白名称，点击OK。

• 2）Select from Project：点击Select from Project选框 → 界面中间弹出Select from Project窗口，显示历史项目中的蛋白结构 → 选中所需蛋白结构 → 点击OK。

• 3）Select File：从本地文件夹中选择所需蛋白结构（.pdb格式）并上传。

• 4）Get PDB：根据蛋白PDB ID从PDB数据库中检索并导入蛋白结构。

• 蛋白处理：

  • Select Polymer to Keep：选择需要保留的链。

  • Select Other Groups to Keep：选择需要保留的其他基团。

  • Select Missing Residues to Repair：

  • 可以根据.pdb文件内的序列相关数据来进行修复；

  • 如点击“Fill Missing Residue”，可以选择上传.fasta文件对缺失的信息进行修复。

• Prepared Settings

  • Add Missing Side Chains：添加缺失侧链；

  • Add Hydrogens：加氢；

  • Modify Protonation State：调节蛋白质环境pH，使蛋白质达到该pH下的质子化状态；

  • Optimize Hydrogen Bonding Network：优化氢键网络；

  • Energy Minimization：能量最小化。

2.2.2 配体准备

• 配体文件输入，共有四种方式：

• 1）Select from 3D：点击Select from 3D 选框 → 弹出Select Ligands框 → 界面左侧Structure Hierarchy/3D Workspace窗口内选择所需配体结构 → Select Structure框内显示选中的配体名称，点击OK。

• 2）Select from Project：点击Select from Project选框 → 界面中间弹出Select from Project界面 → 选中所需配体结构 → 点击OK。

• 3）Select from Database：点击Select from Database选框 → 界面中间弹出Select Ligands界面 → 选中所需配体数据集 → 点击OK。

• 4）Select File：从本地文件夹中选择所需配体文件（支持.mol和.sdf文件格式）并上传。

• 设置筛选条件：如果您对所筛选分子的性质有限制要求，可通过Filter Setting窗口提供的性质约束筛选的分子范围。具体操作为：勾选所需限定范围的分子性质 → 调整范围 → Next进入下一步。如果无特殊要求，则直接点击Next跳过该步骤。

  • Molecular Weight：分子质量；

  • Lipid-Water Partition Coefficient：脂水分配系数；

  • Number of Hydrogen Bond Donors：氢键供体数；

  • Number of Hydrogen Bond Acceptors：氢键受体数；

  • Number of Rotatable Bonds：可旋转键数。

2.2.3 对接盒子设置

• 定义对接盒子有5种方式，如下：

• 1）Select Ligand in the structure as center：该方法以3D Workspace窗口显示的配体的所在区域定义对接盒子。具体步骤为：点击Select Ligand in the structure as center选框 → Select Ligand Name中选择配体名称（仅当3D Workspace窗口显示配体时，Select Ligand Name中才会给出配体选项），选中后则自动生成盒子 → Cutoff设置盒子大小，值越大盒子越大，设置完成后点击Apply应用至当前盒子 → Center处可手动设置盒子中心的坐标 → Size处可手动设置盒子大小 → 点击Next进入下一步。

• 2）Select Residues as Center：该方法通过选择蛋白质序列中的氨基酸残基生成对接盒子。具体步骤为：点击Select Residues as Center选框 → Select Residue Chain ID选框中选择蛋白链名称（仅当该任务下的蛋白受体显示于3D Workspace窗口时，Select Residue Chain ID选框中才会给出选项） → 通过Residue Number（输入残基对应的序号，点击Add）/3D Workspace窗口（点击对接盒子边缘的残基从而指定盒子位置）/Sequence Viewer窗口（点击残基）选择氨基酸残基，选中的氨基酸残基自动显示于Selected Residue的框中，并自动生成对接盒子 → Cutoff设置盒子大小，值越大盒子越大，设置完成后点击Apply应用至当前盒子 → Center处可手动调整盒子中心的坐标 → Size处可手动设置盒子大小 → 点击Next进入下一步。

• 3）Select Pocket from Project：该方法选择Hermite平台的项目中的盒子作为本次任务中的对接盒子。具体步骤为：点击Select Pocket from Project选框 → 弹出的Select Pocket from Project框中选择所需盒子 → 点击OK → Center处可手动调整盒子中心的坐标 → Size处可手动设置盒子大小 → 点击Next进入下一步。

• 4）Select File：支持导入本地文件中的盒子文件（.txt格式）。具体步骤为：点击Select File选框 → 选择本地文件中的盒子文件（.txt文件） → Center处可手动调整盒子中心的坐标 → Size处可手动设置盒子大小 → 点击Next进入下一步。

• 5）Input：直接手动输入盒子参数。具体步骤为：点击Input选框 → Center处设置盒子中心的坐标 → Size处设置盒子大小 → 点击Next进入下一步。

• 注：盒子体积不得小于1000ų。

2.2.4 对接参数

• 搜索模式，可选Fast Mode Docking、Balanced Mode Docking、Detailed Mode Docking，可调参数：

  • Number of Results to Keep to 1st/2nd/3rd Docking，可选All/Top Number/Top Percent。

  • Keep Multi Binding Poses for Each Ligand：每个配体生成多个构象

  • Number of Binding Pose：生成的构象个数，支持数量1~10；

  • Energy Range (kcal/mol)：与最优结合模型相差的最大能量值，支持1~9；

  • Do MM PB/GBSA Structure：MM PB/GBSA Structure最多能处理3000个配体。

  • 打分函数（Scoring Function），可选Vina、Vinardo、AutoDock4。

• 如果前一步骤勾选了Do MM PB/GBSA Structure，则进入该界面设置MM PB/GBSA的参数：

  • Solvation Mode：确定表面积生成方式，支持PB和GB模型 可选PBSA或者GBSA；

  • 确定蛋白和配体力场，设置计算参数：

    • 红框：选择蛋白力场，可选amber03、amber99sb、amber99sb-ildn、amber99sb-star-ildn-mut；
      绿框：选择配体力场，可选gaff2、gaff；
      黄框：选择是否能量最小化；
      蓝框：配置溶剂环境参数（Dielectric Constant、Implicit Solvent Dielectric Constant、Non-polar Surface Constant、Non-polar Surface Coefficient）。
    • （注意：强烈建议保留默认参数）

  • Total Decomposition Contribution Analysis：计算氨基酸残基的能量贡献。

2.2.5 确认

• 确认输入的蛋白及配体文件；

• Pocket Config处确认对接盒子位置及大小；

• Scoring Function处确认选用的打分函数；

• Docking Setting处确认对接参数及计算花费；

• Calculation处的Total Predicted Expense给出了该任务的总花费。

• Job Name处命名该任务；

• 点击Submit提交任务。

3. 结果展示

3.1 入口

• 左侧通用菜单栏Menu Job → 找到所需任务。

• 可以通过搜索Job Name找到该任务，也可以通过Job Type的筛选找到。

• 该任务产生四类子任务：Protein Preparation、Ligand Preparation（当输入配体为平台提供的Database时则不产生该任务）、Docking（包含Fast、Balance和Detail，与提交任务的勾选情况有关）和MM PB/GBSA Structure（勾选计算后产生），分别记录着蛋白准备的结果、虚拟筛选的结果及MM PB/GBSA结果。

3.2 Docking结果展示

• 选择需要查看的任务，点击Operation列中的Show显示该任务的结果，界面如图所示。

• Docking Result表格说明：

  • Ligand Name记录了配体名称；

  • Pose ID记录配体结合模式的序号；

  • Score为配体与蛋白的对接评分，点击即可按从高到低或者从低到高的方式进行排序；

  • Operation下有5个操作选项，可对该行分子进行操作：

  • Fix：在3D Workspace中固定显示。

  • 3D：在3D Workspace中显示该配体。

  • Mark：针对部分特殊的数据行，可以点击Mark处进行人工备注，备注好后会显示于Mark一栏中，并支持按备注搜索。

  • Download：下载对接后的该分子，可储存为sdf、mol和mol2格式。

  • Properties：Ligand自带的非规范Property。

• 图像说明：

  • 3D View：将结果显示于3D Workspace窗口中；

  • 直接点击3D Viewer将用于对接的蛋白结构显示于3D Workspace窗口中；

  • 对接图像显示：右侧Docking Result表格中选中所需展示的配体对应的的复选框 → 点击3D View → 3D Workspace中显示对接结果。

• 3D Workspace窗口展示：

  • 配体以球棍模型显示，与配体具有相互作用的氨基酸残基以Line形式呈现，虚线表示相互作用，点击或悬停至虚线则于3D Workspce窗口左下角显示相互作用说明，不同的相互作用以不同的显色表示。

3.3 MM PB/GBSA Structure结果展示

• 左侧通用菜单栏Menu Job → 找到5GWK_VSW的MM PB/GBSA任务 → 点击Operation列中的show展示该任务的结果 → 打开的界面如右图所示。

• MM PB/GBSA计算结果展示：

• 提供溶剂态、气态和总和3种维度的ΔG数据：

  • $ΔG_{gas}=ΔG_{MM}+ΔG_{vdw}+ΔG_{ele}$

  • $ΔG_{sol}=ΔG_{ploar}+ΔG_{nonpolar}$

  • $ΔG=ΔG_{gas}+ΔG_{solv}$

  • $ΔG=ΔG_{COM}-ΔG_{REC}-ΔG_{LIG}$

• 查看ΔG各能量项数值：

  • 点击图中红框处按钮，查看$ΔG_{solv}$和$ΔG_{gas}$下各个ΔG的分项。

• Residue Decomposition:

  • 如在计算时，勾选了“Total Decomposition Contribution Analysis”，则可以查看该明细

  • 点击图中红框处按钮，按残基进行能量分解，提供残基每一个维度的ΔG数据

• 3D Workspace展示：

  • 点击图中红框处“3D”按钮，将对应本行数据的蛋白和配体呈现在3D Workspace中

• 计算结果Mark标记：

  • 支持对每一行数据进行标记，并支持搜索

  • 点击Operation列中的show展示该任务的结果 → 打开的界面如右图所示。

• 计算结果下载：

  • 点击图中红色箭头处“Download”按钮，选择下载输出的参数

• 显示“Link is preparing”，等待加载完成

• 加载完成之后，点击“Download Link”按钮，点击URL链接下载计算结果。