计算配体结合自由能的新工具FMAP

引言

在介绍FMAP之前，我们先简单描述下结合位点以及结合模式和结合机制的定义:

1）结合位点(binding site)是靶标分子与内源性或外源性配体结合的区域;

2）配体结合模式(ligand binding mode)是配体在结合位点的结合构象的表示;

3）结合机理(binding mechanism)是配体进入结合位点的途径。

在此，C0是所有反应分子的1 M的标准浓度，可用于与实验进行比较；kB是玻尔兹曼常数；T是系统的温度；kb是结合态和未结合态之间的自由能差中获得的平衡结合常数。结合自由能仅取决于这两个状态的自由能值，而与连接彼此的路径无关。目前，FM已被不同的研究小组成功地用于研究各种配体-蛋白质和配体-DNA结合复合物，确定与晶体学数据相符的结合方式，并准确地预测了实验性结合自由能。表1列出了FM应用于不同体系的情况。

表1 FM的应用情况总结

图片源自Nature Protocols.

图1 FM参数设置示例

图片源自Nature Protocols.

与目前可用的结合自由能计算手段相比，FM具有以下优点：

1)不需要关于配体结合模式的先验知识。研究者可以随机选择相对于蛋白质结合位点的配体的起始位置，并让配体找到其到达结合位点的途径；

2)所研究的配体之间不需要结构相似性，例如在FEP的情况下；

3) 配体、蛋白质和溶剂分子是明确的，并且在FM中具有完全的柔性。因此，在配体结合过程中可以细致研究和评估水分子和蛋白质的运动。这代表了相对于其他方法的重大改进，因为溶剂化和去溶剂化作用、构象选择和诱导拟合作用通常在正确识别配体结合模式中起决定性作用；

4）整个配体结合过程是可重复的；

5）FM对非收敛结果能够自我诊断。在CV选择不当的情况下，计算不会收敛，并且可以轻松检测到采样问题（例如磁滞现象）。

当然，FM方法也有一定的局限或者难点所在，主要体现在：

1）CV的选择。在FM中，CV的选择是至关重要的一步，因为错误的CV选择会导致结果无法收敛。CV必须描述配体结合过程中系统的最慢自由度，从而能够区分模拟过程中访问到的系统的不同状态；

2）维度问题。FMAP十分灵活，可以适应使用任何类型的CV。但是，CV的数量应尽可能少，因为重建自由能的计算成本随CV的数量呈指数增长；

3）自由能收敛问题。在错误的CV选择或忽略重要的慢自由度的情况下，自由能计算就不会收敛；

4）准确度。FM已被证明能够以小于1.5 kcal mol的精度预测实验结合自由能。但是，应该考虑到FM是基于MD模拟的。因此，计算结果取决于蛋白质和配体所用力场参数的准确性以及系统的设置（例如氨基酸-配体质子化状态）；

FMAP利用GUI进行交互以准备输入文件，以进行FM模拟和结果分析。GUI通过以下三个阶段组成的分步过程来帮助研究者进行快速地上手使用：

1）预处理阶段。在靶标蛋白上设置漏斗形偏置势；定义FM参数并准备用于FM模拟的输入文件（通过GUI建议标准值并显示帮助消息）；

2）模拟阶段。用户使用其首选的MD模拟软件（包括Gromacs、Amber和NAMD）启动FM，同时提供了命令和故障排除信息的列表；

3）后处理阶段。FM结果和数据检索工具的分析。

FMAP GUI（
https://github.com/limresgrp/FMAP_v1/tree/master/funnel_gui）以VMD程序插件形式体现，模拟代码在PLUMED-v.2（
https://www.plumed.org/doc-master/user-doc/html/_installation.html）中实现。图2和图3展示了FMAP GUI在预处理阶段和后处理阶段的软件设置界面。注：原文对软件每个设置选项以及使用过程中可能遇到的问题都进行了详细的描述和给出了合理的建议，具体请参看原文。

图2 FMAP GUI预处理界面（Funnel.tcl）

图片源自Nature Protocols.

图3 FMAP GUI后处理界面（FFS.tcl）

图片源自Nature Protocols.

图4 苯甲酰胺-胰蛋白酶体系的BFES

图片源自Nature Protocols.

图5 苯甲酰胺结合模式的FAMP计算结果（灰色）与晶体结构（橙色，PDB:4i8g）的比较

图片源自Nature Protocols.

参考文献

Ligand binding free-energy calculations with funnel metadynamics. Stefano Raniolo,Vittorio Limongelli. Nature Protocols. 2020:2837–2866. DOI: 10.1038/s41596-020-0342-4

Funnel metadynamics as accurate binding free-energy method. Limongelli, V. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, 6358–6363 (2013): DOI: 10.1073/pnas.1303186110