利用Chimera和AutoDock Vina软件进行分子对接及可视化分析

简介

分子对接计算是把配体分子放在受体活性位点的位置，然后按照几何互补、能量互补以及化学环境互补的原则来实时评价配体与受体相互作用的好坏，并找到两个分子之间最佳的结合模式。分子对接的最初思想起源于Fisher E.的“钥匙和锁模型”，是模拟配体小分子与受体生物大分子相互作用的一种技术方法。配体与受体相互作用是分子识别的过程，主要包括静电作用、氢键作用、疏水作用、范德华作用等。通过计算，可以预测两者间的结合模式和亲和力，从而进行药物的虚拟筛选。

目前被广泛应用的开源免费分子对接软件有很多，包括AutoDock、SLIDE、DOCK以及AutoDock Vina。与AutoDock相比AutoDock Vina大大提高了准确性，它是由Oleg Trott博士在Scripps研究所的分子图形实验室设计和实现的。此外，Vina可以利用系统上的多个CPU或CPU内核来显著缩短运行时间。

UCSF Chimera是一个可高度延伸的程序，用于分子结构和相关数据的交互式可视化和分析。主要包括：密度图，超分子组合，顺序排列，对接结果，轨迹和构象整合。也可以生成高质量图像和动画。Chimera包括完整的程序说明书和几个教程。学术，政府和非营利机构和个人使用者可以免费下载。AutoDock Vina没有可视化界面，因此我们可以借助Chimera来调用AutoDock Vina进行分子对接，并可视化对接结果。

软件下载

UCSF Chimera

UCSF Chimera为免费软件，本例中使用的版本为Chimera-1.15，可根据电脑系统选择下载，下载地址如下：

http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html

此外，也可下载ChimeraX，功能基本相同，命令使用上有细微差别，下载地址如下：

http://www.cgl.ucsf.edu/chimerax/download.html

AutoDock Vina

AutoDock Vina为免费软件，本例中使用的版本为AutoDock Vina-1.1.2，可根据电脑系统选择下载，下载地址如下：

http://vina.scripps.edu/download.html

操作演示

丝氨酸/苏氨酸激酶 Akt（又称作蛋白激酶 B 或 PKB），在多种细胞生长过程中发挥关键作用，如葡萄糖代谢、凋亡、细胞增殖、转录和细胞迁移。本期内容我们就以Akt蛋白为例，为大家介绍在Chimera中使用AutoDock Vina进行分子对接的详细步骤。

受体预处理

首先我们从蛋白数据库(Protein Data Bank，PDB)中检索并下载所需目标蛋白质的结构文件，格式一般选择.pdb文件，然后在Chimera中打开该文件。也可以通过Chimera直接下载，在菜单栏点击File>Fetch by ID，在弹出的新窗口中，勾选“PDB”选项，在后面的文本框中输入PDB ID，本例中PDB ID为3QKK，点击“Fetch”按钮即可导入结构；

在本例中，蛋白结构中已存在抑制剂分子，我们可通过该抑制剂分子来确定活性位点。在菜单栏点击Select>Residue>SMH来选中配体分子，SMH显示为绿色高亮，即表示处于被选择状态；

为了方便区分配体分子与蛋白质的其余部分，我们对配体分子进行着色，在菜单栏点击Actions>Color>red来改变颜色，当然可以选择任何其它的颜色；

下面对蛋白进行优化。在菜单栏点击Tools>Structure Editing>Dock Prep打开Dock Prep对话框；

在Dock Prep对话框中，勾选除了“Delete non-complexed ions”外的其它所有选项，点击“OK”；

在弹出的Add Hydrogens for Dock Prep对话框点击“OK”来为蛋白质加氢；

在弹出的Assign Charges for Dock Prep对话框中，Other residues选项选择Gasteiger，然后点击“OK”为蛋白质分配电荷；

在弹出的Specify Net Charges对话框点击“OK”；对于大多数蛋白质，净电荷等于零；

将处理好的蛋白另存为preped_akt.pdb格式文件。

配体准备

配体分子即我们需要进行对接的小分子，可以自己绘制结构或从各类小分子数据库中下载。配体分子的准备过程与蛋白的过程基本相同，我们只需导入分子，重复上面蛋白准备的步骤即可。

本例中，我们就以原配体分子为例进行对接，选择原配体分子后，在菜单栏选择File>Save PDB，勾选“Save selected atoms only”选项，点击“Save”保存为ligand.pdb格式文件。对于自己的配体分子，也可使用其它格式，如.mol2格式。

分子对接

在菜单栏点击Tools>Surface or Binding Analysis>Autodock Vina打开AutoDock Vina对话框；

在Output file选项中，点击”Browse”来设置对接结果文件的输出位置，本例中我们选择保存为Docking.pdbqt文件；

在Receptor选项选择受体，需要注意的是，我们前面保存的蛋白文件包含了原配体分子，这里我们需要将其删除，具体操作方法为选中配体分子后，在菜单栏点击Actions>Atoms and Bonds>Delete；删过配体的蛋白文件再次保存为preped_akt.pdb文件。Receptor选项选择preped_akt.pdb；

Ligand选项中选择配体分子，即ligand.pdb；

下面我们需要在活性位点上设置网格框值，即对接盒子。一般是原配体所在的位置，对于没有原配体或活性位点未知的蛋白，盒子的大小和氨基酸的位置通常可通过文献中获取，对于文献中也未报道的，可以通过各类活性位点预测的服务器或软件进行预测。本例中，我们就以原配体的位置来生成对接盒子。

勾选“Resize search volume using”选项，右侧的下拉菜单选择button 2，然后通过鼠标左键点击原配体来生成对接盒子，通过鼠标左键拖动可以调整盒子的大小和位置；

需要注意的是，当“Resize search volume using”处于勾选状态时，不能执行旋转操作，我们可以取消勾选“Resize search volume using”后旋转得到不同的视角，多次对盒子的大小和位置调整，以获得合适的对接盒子。

当然，也可手动更改对接盒子对应的Center和Size的值来调整盒子。本例中，最终调整的对接参数为：

Center：x_28.6，y_0.1，z_10.9

Size：x_20.4，y_25.3，z_19.0

展开Executable location选项，勾选“local”选项，选择安装AutoDock Vina程序的本地路径；

参数设置完成后，点击“OK”运行对接计算。

对接结果

AutoDock Vina成功运行后，会弹出ViewDock对话框，展示了对接的结果，包括对接打分、RMSD的下界和上界值。我们主要参考的是对接打分值，单位是kcal/mol，该值越负表明配体-受体结合的越稳定；

在ViewDock对话框的菜单栏点击H Bonds > Add Count to the Entire Receptor，可以打开一个H-bond Parameters对话框；

在H-bond Parameters对话框中，可以对可视化受体与配体之间的氢键作用进行设置；

在ViewDock对话框的菜单栏点击Movie>Play可以查看不同的构象。如果需要保存动图，也可以在Chimera软件界面的菜单栏点击Tools>Utilities>Movie Recorder来进行操作，这里就不再赘述。

总结

本期内容为大家分享了在Chimera软件中调用AutoDock Vina进行分子对接的详细步骤，Chimera提供了一个易用的图形界面，对于不习惯命令行界面操作的研究人员非常有帮助。当然，UCSF Chimera的功能远不止于此，之后一木会分享更多的UCSF Chimera使用教程，敬请期待~