Radosti a strasti dokování V. Bazgier1, K. Berka2 1 Katedra fyzikální chemie, CR Haná, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, 17. listopadu 12, 77146 Olomouc, CZ, vaclav.bazgier@upol.cz 2 Katedra fyzikální chemie, RCPTM, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, 17. listopadu 12, 77146 Olomouc, CZ, karel.berka@upol.cz;

Dokování Molekulární dokování Hledání nejlepšího „fitu“ mezi receptorem a ligandem Bill Watterson: Calvin a Hobbes

Dokování Výpočetní metoda, která mimikuje vazbu ligandu na protein Predikuje pózu molekuly ve vazebném místě =geometrie Vazebnou afinitu (skóre) reprezentující sílu vazby =energie Image credit: Charaka Goonatilake, Glen Group, University of Cambridge. http://www-ucc.ch.cam.ac.uk/research/cg369-research.html

Skórovací funkce Test vracení ligandu do krystalu CYP Autodock Vina DOCK s různými nábojovými sety Gasteiger AM1-BCC (na náboji záleží) AutoDock 4.2 Diplomová práce Miroslav Brumovský, MU, 2013

Vývoj skórovacích funkcí 2 problémy: Generování struktur a jejich hodnocení Úprava repulze vedla k zlepšení skorovací funkce ale bohužel za cenu výrazného zpomalení algoritmu Bazgier, Banáš, Berka, Otyepka, in preparation

CDK2 kináza Regulace buněčného cyklu Vývoj inhibitorů (Vina - rychlost) Problém s konformacemi ligandů (planární NH vedle aromatického kruhu, torze bifenylů) DFT scan vz dokovací programy Gucký T et al J. Med. Chem., 56 (15), 6234–6247, 2013 Mojzych M et al Eur. J. Med. Chem. 78, 217-224, 2014

Ligandy - Torzní úhly quercetin 16 kcal/mol 90 180 PDB 90 180 PDB Accelrys DSmodelling 1.2 Wu, Chien-Ming et al Int.J. Mol. Sci. 8 (2007): 830–841. GLIDE D’mello, P et al Int.J.Pharm. Sci. 3 (2011): 33–40. LigandFit, FlexX, DOCK 6.0, Autodock 4.0, MOE, Discover in Insight II, FlexiDock, Gold 3, …

Brassinosteroidy Rostlinné hormony Bezproblémový redocking Dlouhý „ocas“ je důležitý pro správnou interakci s receptorem Problémy - steroidní stereochemie Active site Kvasnica M et al Steroids, 85, 58-64, 2014

Ligandy vstup Schema od experimentátora SDF 3D optimalizace testosterone stereoizomerie

Na+/K+–ATPase Udržování homeostázy Vyhledávání vazebných míst Fluorescenční barviva RH241 sonda Ukazuje se, že je dokování senzitivní na konformaci proteinu Havlikova M et al. Biochim. Biophys. Acta - Biomembranes, 1828(2), 568-576, 2013 Huličiak M et al. submitted, 2014

Cytochromy P450 (CYP) Rozsáhlá třída hemoproteinů (>170 tis genů v rostlinách, 57 genů člověk, archea, bakterie…) Nejčastější z 50 reakcí: monooxygenace RH + O2 + 2H+ + 2e– → ROH + H2O Lidské CYPs Promiskuitní (metabolizují více substrátů) Velká regio and stereospecificita CYP2C9 (1OG2) Williams et al., Nature 424, 464, 2003

Co řídí specificitu CYP? Hledání SOM (site-of-metabolism) Reaktivita (chemoinformatika) Aktivní místo (dokování) Tvar a velikost Flexibilita Dostupnost Kanály (MOLE) Uchycení v membráně (MD) Interakce s redoxními partnery

Reaktivita - SMARTCyp Rydberg P, Gloriam DE, Zaretzki J, Breneman C, Olsen L (2010) SMARTCyp: A 2D Method for Prediction of Cytochrome P450-Mediated Drug Metabolism. ACS Med Chem Lett 1: 96–100

Reaktivita – SMARTCyp ROC ROC křivka – signal to noise ratio SMARTCyp ROC AUC 0.741 Falešně pozitivní Skutečně pozitivní Reaktivita dle SMARTCyp je relativně úspěšná Zaretzki J, Rydberg P, Bergeron C, Bennett KP, Olsen L, et al. (2012) RS-Predictor models augmented with SMARTCyp reactivities: robust metabolic regioselectivity predictions for nine CYP isozymes. J Chem Inf Model 52: 1637–1659.

Tvar aktivního místa SOM dle přístupu různých atomů do blízkosti k hemovému železu => Dokování do Xtals CYP2C9 (1OG2) Williams et al., Nature 424, 464, 2003

CYP dokování I Autodock Vina Kontrola pózy dle známých krystalů 70% predikce SOM správně Markéta Paloncýová

Dokování II - ROC Autodock Vina Xtaly CYP2C9 (1R9O, 1OG2, 1OG5) Hodnocení podle první pózy Hodnocení podle všech póz AUC: 0.534 AUC: 0.722 Více dokovacích póz je lepších Miroslav Brumovsky, Diplomová práce, MU 2013

Flexibilita aktivního místa - Xtaly CYP2B4 1PO5 1SUO autor

Flexibilita II Větší flexibilita => širší substrátová specificita 3A4 > 2C9, 2D6 > CYP1A2 50 % > 20 % > 1 % Navázání substrátu výrazně zvýší rigiditu aktivního místa (CYP2D6 + quinidine) Citace a obrázky z dotyčných pdfek Hendrychova T et al BBA - Proteins and Proteomics, 1814 (1), 58-68, 2011 Otyepka M, Berka K, Anzenbacher P. Curr. Drug. Metab., 13(2), 130-142, 2012 Berka K, et al  J. Inorg. Biochem., 110, 46-50, 2012

Flexibilita III Ensemble dokování Společně se SMARTCyp SMARTCyp sám 0.741 Kombinace 0.752 Více struktur z MD to zlepší (samotné jsou horší, než Xtals) ale větší samplování flexibility (>100 ns MD) chybí Miroslav Brumovsky, Diplomová práce, MU 2013

H1R receptor Antiallergické sloučeniny Ensemble dokování – 100 ns MD (funguje!) Problém s dimerickými ligandy větší ligand = více interakcí = silnější vazba (arteficiálně) (dG/n(těžkých atomů) – monomery jsou aktivnější Pozharitskaya ON et al. Planta Med. 79(18), 1698-1704, 2013.

Strádání Struktura ligandů Generování konformací Převod do struktury je často špatně (Brassinosteroidy) Generování konformací Nedodržování planarity (dusíky u aromátů u CDK2) Torzní úhly Konformace proteinů mohou být dost problém (CYPy) Identifikace správné pózy Velice často to není póza s nejvyšší energií/skóre Velké rozdíly ve velikosti ligandu se špatně filtrují (H1R) Problém pro automatickou identifikaci v masivním slepém dokování (ZINC, etc)

Radosti Máme hezčí obrázky než genomické studie :o) Vedení SAR Vysvětlení chování látek v experimentech Umožňuje cílenou syntézu nových látek Nicméně není nic lepšího, než když k Vám po půl roce syntézy přijde organik a řekne, že ta nová Vámi navržená látka je skutečně aktivnější… … načež přinese další a ještě zapeklitější problém.

Poděkování Václav Bazgier (dokování vše) Michal Otyepka (CYP, H1R) UK Miroslav Brumovský (CYP) Markéta Paloncýová (CYP) Miroslav Strnad (BRS, CDK, …) Mirek Kvasnica (BRS) Jana Oklešťková (BRS) Vladimír Kryštof (CDK, …) Tomáš Gucký (CDK) Radek Jorda (CDK) Martin Kubala (NaK) Jitka Ulrychová (H1R) UK Patrik Rydberg (SmartCYP) in memoriam Financial Support GACR P303/12/P019 UP IGA_PrF_2014023 ESF, MŠMT

Děkuji Vám za pozornost