Uni-FEP（靶点探月的案例）

导言

自由能微扰(Free Energy Perturbation, FEP) [1] 是目前公认精度最高、迁移性最好的亲和力评估计算方法，可精准评估受体-配体结合自由能。如计算配体A和B的相对结合自由能 $\Delta \Delta G =\Delta G_{B} - \Delta G_{A}$，而$\Delta G_{A}$和 $\Delta G_{B}$计算成本高。鉴于自由能是状态函数，可通过设计热力学循环，转而计算$\Delta G_{1} - \Delta G_{2}$。因此，相对结合自由能$\Delta \Delta G =\Delta G_{B} - \Delta G_{A} = \Delta G_{1} - \Delta G_{2}$[2]。

Uni-FEP是深势科技自研的FEP完整解决方案，它将自由能微扰理论、分子动力学、增强采样算法与高性能计算相结合，能够以化学精度高效评估受体与配体的结合亲和力，适用于先导化合物优化阶段。Uni-FEP始终致力于提升计算的精度和速度。精度方面，Uni-FEP采用自动构建原子映射算法、REST2增强采样算法、统计方法优化微扰图的设计与回归分析，以及具备对软键相互作用等调优后的众多模拟参数；速度方面，通过系统化的GPU高性能优化，使得推荐参数下的单次FEP计算能够在10-15小时内完成，而基于云计算的Hermite®平台一天可以进行成百上千次FEP计算。

HNE

人嗜中性细胞弹性蛋白酶（Human Neutrophil Elastase，HNE），是存在于中性粒细胞噬天青颗粒中一类重要的蛋白水解酶，其属于糜蛋白酶家族，与其他常见的蛋白水解酶，例如蛋白酶3（Proteinase 3，P3）、组织蛋白酶G（Cathepsin，G）存在有较大程度的同源性。HNE在人体内发挥的主要生理功能为对抗并清除侵入人体内部的外来病原体，此外，HNE还在很多炎症反应疾病中扮演了重要的角色。已有研究表明，HNE的异常分泌与慢性梗阻性肺病、急性肺损伤、囊性纤维化、支气管扩张、肺动脉高压等心肺疾病的发生密切相关。人体内存在HNE相应的负向调控蛋白，诸如丝氨酸蛋白酶抑制剂、α2球蛋白以及分泌型白细胞蛋白酶抑制剂等。此类负向调控蛋白对维持HNE的正常功能至关重要，负向调控蛋白与HNE等蛋白水解酶的平衡被打破，便发生如上所述的各类疾病。因此，开发有效的HNE抑制剂，抑制过度分泌的HNE，有望成为治疗以上疾病的新策略。目前，围绕该靶点仅有一个药物上市，有多个药物处于不同阶段的临床研究当中。 本案例选取了拜尔公司披露BAY 85-8501先导化合物开发及优化过程的论文 [3]，对其中比较具有代表性的抑制剂分子18、20、22、25、27、29（BAY 85-8501）进行了FEP模拟。所选晶体结构PDB为5A0A。

1. 建立项目

1.1 登录系统

登录地址：https://hermite.dp.tech

1.2 创建项目

2. 导入和准备体系

2.1 导入结构

操作	效果
点击File→Get PDB，PDB ID输入5A0A

2.2 手动准备工作

操作	效果
2.2.1 手动处理蛋白 在 Structure Hierarchy 窗口中，选中 Ligand 层级下 的E NAG 1247和E EPE 1250，右键点击鼠标，选择 “Delete”； 选中 Solvents 层级下所有水（2044除外），右键点击鼠标，选择 “Delete”； 选中 Others 层级，右键点击鼠标，选择 “Delete”。
2.2.2 手动提取共晶ligand 将共晶 ligand E JJS 1244 “Extract to New Entry”，并重新命名为“Lig_JJS”。

2.3 打开FEP功能界面

操作	效果
点击Function→Binding Affinity Evaluation→FEP Calculation

2.4 处理蛋白

操作	效果
2.4.1 导入用户FEP计算的蛋白 点击"From 3D"，选取"5A0A.pdb"，再点击"OK"，将蛋白上传至FEP功能中。
2.4.2 自动处理蛋白 点击"Protein Preparation"对蛋白处理，保留“Select Polymer to Keep”和“Select Other Groups to Keep”中的“E链”，最点击“Next”提交任务。
在“Protein Preparation”参数的设置中，按照默认的参数提交任务。

2.5 分子叠合

操作	效果
2.5.1 上传小分子 在Ligand模块中，点击“From File”上传小分子结构。
2.5.2 选择Reference分子并做对齐 点击“Do Alignment”对分子做分子叠合。选中“Lig_JJS_EJJS_1244”作为reference。然后选中Select Alignment Ligands中的所有分子，在对齐的方法中选择“Rigid Alignment将所有分子与reference对齐。 注：分子对齐后，将Lig_JJS_EJJS_1244删除。

2.6 微扰图构建及Mapping检查

操作	效果
2.6.1 微扰图构建 点击“Build Network”，按照默认参数提交任务。
2.6.2 微扰图修改及Mapping检查 任务完成之后在Job List中点击“Perturbation”中的“show”将微扰和mapping的结果展示出。
微扰图修改方法一 若删减"HNE27——>HNE18"，先选中两个分子间的Edge，点击右边的“—”，即可把该pairs删除。 若新增加"HNE27——>HNE18"pairs，先选中HNE27，再选中HNE18，然后点击右边的“+”，即可增加新的pairs。
微扰图修改方法二 若想“增加”或“删减”pairs，可直接在右边表格中选取该pairs，再点击两表格中间的“向上和向下的箭头”进行“增加”或“删减”。
在界面中的右上角点击“Mapping”对每个pairs的mapping检查。
若删减某两个原子间的mapping，先选中两个原子线，点击左边的“—”，即可把该mapping删除。 若新增加mappings，可将两个原子分别选中后，再点击左边的“+”，即可增加新的mapping。

3. 任务提交

3.1 确定用于计算的体系

操作	效果
3.1.1 确定用于FEP计算的蛋白 选择处理后的蛋白“5A0A_prepared”用于FEP计算。
3.1.2 确定待计算的Pairs 将待提交的Pairs确认无误后，点击“Next”。 Tips：操作者在点击提交任务前已对微扰图做过修改，所以此次任务提交的pairs与默认微扰图的Pairs不同。

3.2 FEP参数设置

操作	效果
点击“Next”之后，会弹出"Submit Calculation"参数，在“Simulation Time”中对模拟的时间修改。
点击“Advanced Setting”可查看FEP的计算参数，最后点击“Submit”提交任务。本案例按照默认参数提交任务。

4. FEP 结果查看

操作	效果
FEP任务计算完成后，点击Function→Binding Affinity Evaluation→FEP Analysis
在界面的右下角点击“Analysis”，提交任务。
FEP Analysis任务计算完成后，在“Job List” 中的“FEP Analysis”任务栏中点击“Show”。
点击“Node”将“Ligand Name、ΔG EXP、ΔG FEP和σ(ΔG FEP )”勾选后将实验亲和力和计算亲和力显示出来。
点击“Correlation Plot”分析实验ΔG和计算ΔG的相关性，RMSE和R²分别为1.28kcal/mol和0.96。
点击“Analysis Report”分析计算结果的可靠性。

5. 总结

本案例以人嗜中性细胞弹性蛋白酶（HNE）为例，对拜尔公司所开发的临床候选分子BAY 85-8501及其先导化合物优化过程的中的部分关键过渡分子进行了小分子和蛋白之间结合能的计算。结果显示，对于给定的目标分子，Uni-FEP能够准确评估化合物与靶点的相对结合自由能，从而指导先导化合物的优化的工作。

6. Reference

[1] Chipot, Christophe, and Andrew Pohorille. "Free energy calculations." Springer series in chemical physics 86 (2007): 159-184.
[2] Cournia, Zoe, Bryce Allen, and Woody Sherman. "Relative binding free energy calculations in drug discovery: recent advances and practical considerations." Journal of chemical information and modeling 57.12 (2017): 2911-2937.
[3] Von Nussbaum, F.; Li, V. M. J.; Allerheiligen, S.; Anlauf, S.; Bärfacker, L.; Bechem, M.; Delbeck, M.; Fitzgerald, M. F.; Gerisch, M.; Gielen-Haertwig, H.; Haning, H.; Karthaus, D.; Lang, D.; Lustig, K.; Meibom, D.; Mittendorf, J.; Rosentreter, U.; Schäfer, M.; Schäfer, S.; Schamberger, J.; Telan, L. A.; Tersteegen, A. Cover Picture: Freezing the Bioactive Conformation to Boost Potency: The Identification of BAY 85-8501, a Selective and Potent Inhibitor of Human Neutrophil Elastase for Pulmonary Diseases. ChemMedChem 2015, 10 (7), 1117-1117.

7. 测试体系数据下载

HNE