在上一次的分享中，小果給大家演示了如何使用Discovery Studio設(shè)計及優(yōu)化小分子配體結(jié)構(gòu)，那么這一次，小果就來給大家分享一下如何使用Discovery Studio來優(yōu)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使其可以在后續(xù)與我們設(shè)計好的小分子配體進(jìn)行對接等一系列操作。廢話不多說，跟上小果直接開始吧！

為什么要優(yōu)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)？

如果想要真正理解藥物設(shè)計的流程，不能只知道該如何操作，還要理解每一步的意義何在。可能有些小伙伴還不知道為什么要優(yōu)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化后的蛋白質(zhì)有什么用處，下面小果就給大家詳細(xì)地介紹一下：

處理后的蛋白質(zhì)用途

當(dāng)處理后的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于藥物分子設(shè)計領(lǐng)域時，它可以發(fā)揮以下作用：

藥物模式識別

：即確定蛋白質(zhì)與藥物結(jié)合相關(guān)的結(jié)構(gòu)模式。通過計算和模擬分析，可以識別出與藥物分子相互作用的關(guān)鍵氨基酸殘基或結(jié)構(gòu)域，這有助于指導(dǎo)藥物分子的設(shè)計，使其能夠在特定的蛋白質(zhì)位點上實現(xiàn)最佳結(jié)合，并發(fā)揮治療效果。

藥物偶聯(lián)物設(shè)計

：如設(shè)計抗體藥物或載體。通過了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域和位點，可以將藥物分子連接到適當(dāng)?shù)妮d體上，實現(xiàn)藥物精確輸送、靶向釋放等功能。這有助于提高藥物的生物利用度和針對性，減輕劑量和副作用。

藥物代謝預(yù)測

：通過模擬藥物與代謝酶的結(jié)合，可以預(yù)測藥物的代謝途徑、代謝產(chǎn)物以及代謝速率。這對于識別潛在的代謝問題，優(yōu)化藥物的代謝穩(wěn)定性和代謝特性具有重要意義。

藥物副作用評估

：通過分析藥物與非靶蛋白質(zhì)的交互作用，可以發(fā)現(xiàn)可能引起副作用的結(jié)構(gòu)特征或親和性。這有助于提前識別潛在的不良反應(yīng)，并為藥物優(yōu)化和副作用管理提供指導(dǎo)。

藥物抗性機制研究

：通過分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的變異位點和突變模式，可以揭示藥物抗性所涉及的結(jié)構(gòu)和功能變化。這有助于理解藥物失效的原因，并為克服藥物抗性提供策略和指導(dǎo)。 總之，通過分析預(yù)測處理后的蛋白質(zhì)與藥物的各種作用效果能夠為藥物的設(shè)計和優(yōu)化提供關(guān)鍵信息，確保藥物的高效性、選擇性和安全性，因此處理蛋白是藥物分子設(shè)計中不可缺少的一環(huán)。

為什么一定要處理？

通過上面的分析，小果相信小伙伴們已經(jīng)理解了蛋白質(zhì)在藥物分子設(shè)計中的重要作用，那么可能會有小伙伴問到，為什么一定要對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理呢？可不可以不處理？如果不處理會怎么樣呢？善于思考是一項非常好的優(yōu)點，下面小果就給大家解答疑惑： 需要對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的原因如下：

提高藥物的親和力

：通過優(yōu)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，藥物與靶蛋白之間的相互作用可以被改善。這有助于增加藥物對目標(biāo)蛋白的親和力，提高藥物與靶標(biāo)的結(jié)合效率和穩(wěn)定性。

增加藥物的選擇性

：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以幫助設(shè)計具有更高選擇性的藥物。通過了解靶蛋白的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，可以為藥物設(shè)計提供指導(dǎo)，使其能夠更精確地與目標(biāo)蛋白相互作用，減少與其他非靶蛋白的相互作用，從而降低非特異性副作用。

改進(jìn)藥物代謝和穩(wěn)定性

：通過優(yōu)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以改變藥物與代謝酶的相互作用，影響藥物的代謝途徑、代謝速率和半衰期。這有助于改善藥物的代謝穩(wěn)定性，延長藥物在體內(nèi)的停留時間，提高治療效果。

減輕藥物副作用

：優(yōu)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以幫助預(yù)測和評估藥物的副作用。通過分析藥物與非靶蛋白質(zhì)的相互作用，可以發(fā)現(xiàn)可能引起副作用的結(jié)構(gòu)特征或親和性。從而可以提前識別潛在的不良反應(yīng)，并為藥物設(shè)計和副作用管理提供指導(dǎo)。

克服藥物抗性

：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有助于研究和克服藥物抗性的機制。通過分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的變異位點和突變模式，可以揭示藥物抗性所涉及的結(jié)構(gòu)和功能變化。這有助于尋找對抗藥物抗性的策略，重新設(shè)計藥物分子以恢復(fù)治療效果。 綜上所述，通過優(yōu)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提高藥物的親和力和選擇性，改善藥物代謝和穩(wěn)定性，減輕藥物副作用，并克服藥物抗性。這些優(yōu)化措施有助于提高藥物療效、降低不良反應(yīng)，因此是至關(guān)重要、不可省略的步驟。

如何獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)？

小伙伴們看到這里一定已經(jīng)理解了優(yōu)化蛋白質(zhì)的重要性，現(xiàn)在是不是已經(jīng)迫不及待地想看一看如何操作了呢？但是不要忘記，在我們處理之前，需要先獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)才可以，不然我們處理什么呢？獲取蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，小果一般會選擇在RCSB PDB中進(jìn)行搜索和下載。下面就讓小果給大家介紹一下這個實用的數(shù)據(jù)庫吧：

PDB（Protein Data Bank）是一個國際知名的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，致力于收集、存儲和分發(fā)生物大分子（尤其是蛋白質(zhì)）的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。作為全球科學(xué)界的重要資源，它為研究者們提供了一個廣泛和可靠的平臺，以便進(jìn)行生物大分子結(jié)構(gòu)的研究、分析和解釋。PDB在全球有多個分站，其中RCSB PDB（Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank）是美國分站，使用最為廣泛。 RCSB PDB的數(shù)據(jù)來源非常多樣，其中包括了通過X射線晶體學(xué)、核磁共振等實驗技術(shù)獲得的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，也就是說這些數(shù)據(jù)均通過實際實驗得來而非僅僅模擬預(yù)測。這些數(shù)據(jù)以PDB文件格式進(jìn)行存儲，其中包含了關(guān)于原子坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)拓?fù)?、分子間相互作用等重要信息，能夠描述蛋白質(zhì)分子在空間中的立體構(gòu)象。 RCSB PDB提供了多種工具和資源，幫助研究者們進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化、模擬計算和功能注釋。研究者們可以使用PDB ID或關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，獲取感興趣的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并可通過在線工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)可視化、結(jié)構(gòu)比對和結(jié)構(gòu)分析等操作。此外，RCSB PDB還提供了高質(zhì)量的教育資源，用于培訓(xùn)和教學(xué)，以推廣蛋白質(zhì)科學(xué)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。 非常值得推崇的一點是，PDB數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)均為共用數(shù)據(jù)，使用起來不需要擔(dān)心著作權(quán)的問題，因此小果非常推薦大家使用。 看到這里相信大家已經(jīng)理解了RCSB PDB的厲害之處，那么我們該如何使用它呢？在右上角我們可以直接輸入感興趣的蛋白質(zhì)名稱、PDB ID或關(guān)鍵詞來搜索，甚至我們可以直接輸入配體的名稱來檢索結(jié)構(gòu)中包含有該配體的蛋白質(zhì)。 除了直接搜索以外還有一個非常實用的功能就是高級搜索（advanced search）可以幫助我們進(jìn)一步縮小搜索得到的范圍：

關(guān)于高級搜索如何使用以及其他用法如如何查看結(jié)果頁，我們可以看到在頁面中給出了Help按鈕，感興趣的小伙伴們可以點進(jìn)去了解一下，官方給的使用方法還是非常詳細(xì)的，小果在這里就不贅述啦。

當(dāng)我們正確搜索并從結(jié)果頁左側(cè)篩選出我們想查詢的物質(zhì)時，我們可以直接點進(jìn)去查看它的各種信息并下載它的結(jié)構(gòu)信息。需要注意的是，如果想導(dǎo)入到Discovery Studio中進(jìn)行分析的話一般下載的是PDB 格式。（PDB gz為壓縮后的PDB格式）

除了下載后從Discovery Studio打開文件這種方法，Discovery Studio還提供了通過PDB編號直接載入該結(jié)構(gòu)的方法：點擊菜單欄File->Open URL，隨后輸入編號等待一會即可打開。

如何對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化？

優(yōu)化蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可能會有什么步驟呢，下面小果就給大家介紹一下：

構(gòu)建蛋白質(zhì)模型

：針對目標(biāo)蛋白質(zhì)，可能需要根據(jù)已有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、序列信息或相關(guān)模板進(jìn)行蛋白質(zhì)模型的構(gòu)建。這有助于理解蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，并提供一個基礎(chǔ)框架用于后續(xù)的計算和模擬。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)修復(fù)

：對于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在的缺失、錯誤或不完整的部分，需要進(jìn)行修復(fù)和優(yōu)化。這包括修復(fù)缺失的原子、修正不合理的構(gòu)象、修復(fù)結(jié)構(gòu)錯誤等，以確保蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是準(zhǔn)確和可靠的。

活性位點識別

：活性位點是蛋白質(zhì)上與配體結(jié)合并發(fā)揮生物活性的區(qū)域。通過對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和預(yù)測，可以識別出潛在的活性位點，這有助于在藥物設(shè)計中選擇和優(yōu)化相互作用的區(qū)域。

水合劑處理

：蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)通常是水合狀態(tài)的。在對蛋白質(zhì)進(jìn)行計算和模擬時，需要對水分子進(jìn)行處理，包括添加、刪除或優(yōu)化水合劑的位置和構(gòu)象。這有助于更準(zhǔn)確地模擬蛋白質(zhì)與其他分子的相互作用過程。

晶體結(jié)構(gòu)處理：

如果目標(biāo)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是通過X射線晶體學(xué)得到的，可能需要進(jìn)行一些額外步驟來處理晶體結(jié)構(gòu)，如去除溶劑分子、修復(fù)結(jié)晶中的原子錯誤等。 ?將蛋白結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Discovery Studio后，除非有特殊需求，一般首先將水分子去除（想去除哪一部分直接將勾選取消即可），因為8EF5中沒有水分子，因此小果打開另一個分子給大家展示如何去除水分子（標(biāo)黃部分）。（使用Ctrl H和Ctrl T可直接打開系統(tǒng)視圖及表格視圖）

隨后，我們一般使用Discovery Studio中快捷的Macromolecules>Prepare Protein>Clean Protein功能對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，即修復(fù)和優(yōu)化蛋白質(zhì)的原子坐標(biāo)，以確保其符合合理的幾何學(xué)約束，并提高后續(xù)計算和模擬的準(zhǔn)確性。它執(zhí)行以下主要功能： 去除非標(biāo)準(zhǔn)殘基：例如水分子、離子和小分子配體。 校正氨基酸末端：修復(fù)氨基酸末端殘基的缺失或不完整，確保所有的氨基酸殘基都具有正確的連接和原子坐標(biāo)。 修復(fù)剪切連接：剪切連接是由于實驗或計算誤差而導(dǎo)致的蛋白質(zhì)鏈斷開的情況，該功能能夠自動檢測和修復(fù)這些斷開的連接。 優(yōu)化原子坐標(biāo)：該工具使用分子力學(xué)力場對蛋白質(zhì)的原子坐標(biāo)進(jìn)行最小化或優(yōu)化，以提高其幾何學(xué)質(zhì)量。這可以通過克服原子間的過度重疊、修正扭曲構(gòu)象和優(yōu)化氫鍵等方式來實現(xiàn)。

在Clean Protein按鈕下面有顯示相應(yīng)報告的按鈕：

除了最便捷最常用的Clean Protein功能外，Discovery Studio還提供了非常多的其他功能來優(yōu)化蛋白結(jié)構(gòu)，例如主菜單欄structure->clean geometry，它可以清除蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的幾何錯誤或不良幾何特征，修復(fù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象問題，例如不正常的鍵長、鍵角或扭轉(zhuǎn)角。

通過右鍵Macromolecules的tools時彈出的菜單我們可以很直觀地感受到Discovery Studio的功能之強大和豐富：

小果在這里給大家翻譯成中文，讓大家看著更加方便： 對小分子進(jìn)行對齊; 分析蛋白質(zhì)保守性模式; 分析序列; 分析軌跡; 分析跨膜蛋白; 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫; 構(gòu)建片段; 構(gòu)建和編輯核酸; 構(gòu)建和編輯蛋白質(zhì); 構(gòu)建和改進(jìn)X射線結(jié)構(gòu); 計算分子性質(zhì); 更改力場; 比較藥效團(tuán); 創(chuàng)建同源模型; 自動生成藥效團(tuán); 手動創(chuàng)建藥效團(tuán); 創(chuàng)建QSAR模型; 自定義藥效團(tuán)特征; 定義和編輯結(jié)合位點; 定義和編輯結(jié)合位點（高級）; 設(shè)計蛋白質(zhì); 設(shè)計和分析庫; 對配體進(jìn)行對接; 對接和分析蛋白質(zhì)復(fù)合物; 編輯X射線結(jié)構(gòu); 編輯和聚類特征; 基于片段的設(shè)計; 引導(dǎo)優(yōu)化; 最小化配體; 最小化和改進(jìn)蛋白質(zhì); 建模抗體; 分子瀏覽器; 瀏覽和標(biāo)記3D結(jié)構(gòu); 放置和改進(jìn)X射線配體; 預(yù)測蛋白質(zhì)聚集; 準(zhǔn)備蛋白質(zhì); 準(zhǔn)備或篩選配體; 蛋白質(zhì)報告和分析; 查詢在線數(shù)據(jù)庫; 運行自由能模擬; 運行模擬; 通過相似性搜索序列； 搜索側(cè)鏈Rotamer。 上面有一些名詞小伙伴可能不太熟悉，小果在這里給大家稍微解釋一下，比如： QSAR模型代表定量構(gòu)效關(guān)系（Quantitative Structure-Activity Relationship），是一種用于預(yù)測化合物活性和性質(zhì)的計算模型。它建立了化合物結(jié)構(gòu)與其生物活性之間的定量關(guān)系，通過分析和量化分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)特征，預(yù)測其活性或其他相關(guān)性質(zhì)。 藥效團(tuán)（Pharmacophore）是指在藥物分子中對特定生物活性起關(guān)鍵作用的功能基團(tuán)或結(jié)構(gòu)模式。它是通過分析和總結(jié)一系列具有相似生物活性的化合物，確定出對活性貢獻(xiàn)最顯著的共同特征。 側(cè)鏈Rotamer是指在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，氨基酸側(cè)鏈的不同構(gòu)象或旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。每個氨基酸側(cè)鏈都可以采取多種不同的構(gòu)象，這些構(gòu)象之間的旋轉(zhuǎn)和空間排布存在差異。側(cè)鏈Rotamer描述了側(cè)鏈的不同構(gòu)象，并通過命名和分類不同的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來表示。通過搜索側(cè)鏈Rotamer，可以找到合適的蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象，用于蛋白質(zhì)的模擬、設(shè)計和分析等應(yīng)用。 總而言之，Discovery Studio是一款功能強大且豐富的軟件，小果在這里是跟大家介紹不完的，想要深入學(xué)習(xí)的小伙伴們可以自己查看help文檔并親自多嘗試嘗試，畢竟實踐才能出真知。本次的分享就到這里啦，如果小伙伴們平時在生信分析的操作過程中遇到困難，歡迎大家咨詢小果 那么我們下次再見啦，期待與小伙伴們繼續(xù)共同成長哦，拜拜┏(＾0＾)┛~