專利名稱：從三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索新的配位化合物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可利用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、其它的生物活性化合物的結(jié)構(gòu)設計的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索方法。
背景技術(shù)：
一般來說，藥物是通過與構(gòu)成靶的生物高分子的強烈作用，來發(fā)揮其藥理作用的。近年來，由于X射線晶體學分析和核磁共振的技術(shù)的進步，對于生物體內(nèi)起著重要作用的生物高分子的立體結(jié)構(gòu)逐漸解釋清楚。隨著這些研究的進展，對于以往用專門隨機篩選和偶然的發(fā)現(xiàn)得到的新藥物的前導物的研制，也報道了基于生物高分子的三維結(jié)構(gòu)邏輯途徑的成功方法論?，F(xiàn)在這樣的研究途徑的重要性越來越被人們認識到，在世界上，也在從各種不同的角度進行研究。
這些研究的目標之一是在于提供了用計算機構(gòu)建配位體候選結(jié)構(gòu)的方法，其它的目標在于提供從已知的化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索新的配位結(jié)構(gòu)的方法。前者(自動結(jié)構(gòu)構(gòu)建法)的優(yōu)點是無論結(jié)構(gòu)是否已知都可以得到廣泛的啟發(fā)。而另一方面，后者的優(yōu)點(數(shù)據(jù)庫法)，是用于從儲存已知化合物的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)新的生物活性化合物，特別是對于本公司儲存的或者可以買到的市售化合物的數(shù)據(jù)庫為對象進行檢索，不需要合成滿足檢索條件化合物(中的化合物)的勞動即可得到，能夠測定與靶生物高分子的結(jié)合常數(shù)和生物活性。
合成具有新骨架結(jié)構(gòu)化合物時，一般即使專家也需要數(shù)個月，所以合成數(shù)目很多的有希望的結(jié)構(gòu)、并測定活性時，是需要很長的年月和大量的勞力。只要是可以得到的化合物，對于數(shù)十個的有希望的配位體候補化合物，測定其結(jié)合常數(shù)和生物活性是容易的。另外，將被認為有某種程度強結(jié)合的或活性的化合物的結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，設計結(jié)合常數(shù)和生物活性更強的化合物，通過合成可以有效地創(chuàng)造前導化合物。這種理由使得人們對于檢索已知化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)新的生理活性化合物的研究途徑更加關(guān)心。
此方法的問題點在于用什么樣的檢索條件進行檢索。一般是采用，將構(gòu)成模板代表性的生物活性化合物所具有的原子團和官能基中，是否具有可推測出活性的原子團和官能基或者這些模板的位置關(guān)系是否與模板化合物類似作為檢索條件，檢索三維數(shù)據(jù)庫的方法。當靶生物高分子的結(jié)構(gòu)不清楚時，基本上是采用這樣的方法，但是這樣的檢索方法是基于推測和假說的基礎(chǔ)上，所以中的化合物往往不具有模板化合物的活性。結(jié)構(gòu)特征不同的2個以上的分子具有相同的活性時，即使使用了關(guān)于這些分子結(jié)構(gòu)的信息也只不過是將活性必需的官能基和它們的位置關(guān)系構(gòu)建成更合理的假說而已。
檢索三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫時，最困難的問題是試驗化合物的構(gòu)象的自由度的處理。已經(jīng)知道，結(jié)合在生物高分子(形成最穩(wěn)定的復合體)時的配位體的構(gòu)象，未必與該分子本身的結(jié)晶或溶液中的結(jié)構(gòu)和通過能量計算的最穩(wěn)定的能量的結(jié)構(gòu)都相符合，即使相同的配位體分子，由于對象的生物高分子，也可以以不同的構(gòu)象形成最穩(wěn)定的復合體。一般，在數(shù)據(jù)庫中，對于一個的化合物往往儲存著可以存在的多個構(gòu)象中的一個構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)的原子坐標。另外，除去來自結(jié)晶結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，各化合物的三維結(jié)構(gòu)的信息，是將輸入到二維上的結(jié)構(gòu)計算成三維結(jié)構(gòu)為其基礎(chǔ)的。這樣的三維結(jié)構(gòu)，往往是其分子本身可取得的局部穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之一。
因此，只是將收納在數(shù)據(jù)庫中的化合物的構(gòu)象為基礎(chǔ)，調(diào)查是否滿足檢索條件，在考慮其它的構(gòu)象時，往往不能適當?shù)剡x擇應該中的的化合物。應該考慮構(gòu)象的數(shù)目，是根據(jù)可旋轉(zhuǎn)的鍵數(shù)而變化，另外根據(jù)考慮構(gòu)象的微細程度等的因素而變化，但是含有3-6個可旋轉(zhuǎn)的鍵的可中等自由度的分子，一般是需要以數(shù)十個到數(shù)十萬的構(gòu)象來對待?？紤]這些可能的構(gòu)象時，只能將予先選擇的有希望的構(gòu)象輸入到數(shù)據(jù)庫，或者在檢索時制作出后進行調(diào)查的方法。無論如何，都需要龐大的計算機資源(存儲容量)和計算時間。
最近，Merck公司的Kearsley等作成了在一個數(shù)據(jù)庫側(cè)，對于一個化合物作成可以最大收納20個的構(gòu)象的數(shù)據(jù)庫。發(fā)表了以官能基間的位置關(guān)系為主的檢索條件的檢索系統(tǒng)FLOG。(M.D.Miller，S.K.Kearsley，D.J.Underwood，和R.P.Sheridan計算機輔助分子設計雜志，8，1994，153-174頁，F(xiàn)LOG一種選擇與已知三維結(jié)構(gòu)受體入補的“準自由”配位體的系統(tǒng))。FLOG在檢索10萬個化合物的具有200萬構(gòu)象的數(shù)據(jù)庫時，使用所謂CRAY超級計算機大約需要1周的時間。對于各化合物有20個的構(gòu)象，預先進行對各化合物的構(gòu)象解析，選擇出能量穩(wěn)定的局部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，進行儲存，為此要花費大量的時間和勞力。而且1個化合物遠遠不止于20個構(gòu)象。
此外，作為檢索條件是采用了，在構(gòu)成模板的活性化合物中，推測出是否有活性官能基和這些基間的距離，角度和方向，但是這些條件是可考慮的條件中的最低基本條件，其優(yōu)點是阿拉伯計算方法容易，也不花費計算時間，可是中的化合物具有實際所需活性的概率不高。其理由是只是將官能基置于所需的位置，而分子整體形狀和大小不適當?shù)姆肿邮遣荒馨l(fā)揮活性的。在已知靶生物高分子的立體結(jié)構(gòu)時，利用這些信息可以取得最好的效果，中的化合物具有所需要的活性的概率大大提高。
例如，Dupont Merck公司的Eyermann等對與生物高分子的復合體，根據(jù)X射線晶體學分析的配位體分子中的官能基的位置關(guān)系，檢索了數(shù)據(jù)庫。(P.Y.S.Lam，P.K.Jadhav，C.J.Eyermann，C.N.Hodge，Y.Ru，L.T.Bacheler，J.L.Meek，M.J.Otto，M.M.Rayner，Y.N.Wong.C.H.Chang，P.C.Weber，D.A.Jackson，T.R.Sharp，和S.Erickson-ViitanenScience，263，1994，pp.380-384，作為HIV蛋白酶抑制劑的有效的，生物可利用的，非肽環(huán)狀脲的合理設計)。報告了，HIV蛋白酶的系統(tǒng)中，在肽性配位體分子中的2個的苯環(huán)的中心，檢索出，用氫鍵結(jié)合著的蛋白酶和配位體的水分子中的氧原子的3個位點是處于相同位置關(guān)系的分子。從中的化合物選出一個可以很好地嵌合在配位體的結(jié)合部位、選擇出一個進入檢索條件的除氧以外的，也能形成氫鍵的化合物。以此化合物的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，測定對酶活性的抑制，反復操作合成修正了適宜結(jié)構(gòu)化合物的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)活性非常高的化合物?？墒菍z索的方法沒有詳細的敘述，如何處理構(gòu)象還是不清楚。
使中的化合物所需活性的概率達到最高的檢索條件是取決于中的生物高分子的配位結(jié)合部位上，化合物是否穩(wěn)定地結(jié)合的檢索條件。在即使?jié)M足這些條件的情況下，由于物理化學因素(水溶性等)的原因有時也不能表達活性，但是滿足這些條件是表達活性的最低限的條件。另一方面，是有否特定的官能基和官能基的位置關(guān)系不是表達活性的必要條件，即使化合物系不同，分子骨架不同，只要與靶生物高分子間形成同等程度的穩(wěn)定復合體，也可以發(fā)揮同樣的生物活性。因此，能夠滿足在配位體結(jié)合部位穩(wěn)定結(jié)合條件的化合物，實際上成為配位化合物的可能性高。也就是，通過使用適合在靶生物高分子結(jié)合部位的檢索條件，可以從數(shù)據(jù)庫中選擇出具有所需生物活性的更廣泛結(jié)構(gòu)的化合物。
為了判斷對于靶生物高分子是否可以結(jié)合特定的配位體分子，在可能的復合體機構(gòu)中，探索最穩(wěn)定的復合體結(jié)構(gòu)，需要知道該復合體穩(wěn)定到何種程度，在探索給予的生物高分子和配位體分子間的最穩(wěn)定的復合體結(jié)構(gòu)時，要對所有的可能結(jié)合方式(固定一方的分子，對應地旋轉(zhuǎn)、平移其它的分子)和可能的配位體的構(gòu)象進行穩(wěn)定性的評價?？墒牵@種的作業(yè)是需要龐大的計算工作，人們難以對著圖形顯示器進行會話，所以希望開發(fā)出能將這種作業(yè)自動地且有效地對接(docking)方法。
作為自動對接的方法，Kuntz等開發(fā)出，使用數(shù)個至數(shù)十個的內(nèi)接球來表現(xiàn)配位體結(jié)合部位形狀，通過比較這些球中心的矢量群和配位體化合物的分子內(nèi)的原子間矢量群，推斷可能結(jié)合方式的方法(R.L.Desjarlais，R.P.Sheridan，G.L.Seibel，J.S.Dixon，I.D.Kuntz和R.VenkataraghavanJ.Med.Chem.31(1989)722-729在已知三維結(jié)構(gòu)的受體結(jié)合位點的配位體設計中，用形狀互補性進行初步篩選)。最近的改良方法中，除了表示矢量的一致性的記錄統(tǒng)計外，也可變更成計算分子間的能量。
可是，這些方法的缺點是光是結(jié)合模式的收集就需要相當?shù)臅r間。改良方法中，對于一個化合物的對接變更成可以改變構(gòu)象的方法，但是不能設計成自動地進行所有的對接的過程。另外對于能量的評價，即使對于中的化合物可以進行能量評價，而在得出結(jié)果前的過程中，也只能作簡略的統(tǒng)計計算，也不能考慮氫鍵等。另外，精度上也存在問題，對于結(jié)晶，觀測的正確復合體結(jié)構(gòu)不能給予最穩(wěn)定的結(jié)果，往往被估計成相當?shù)臀豁樞虻膯栴}。可是致命的缺陷是基本地固定構(gòu)象后，所進行的方法，而構(gòu)象的自由度難以處理。特別是對于自動地處理很多化合物的三維數(shù)據(jù)庫的檢索，上述的缺點用人們的手工也是難以補救的，所以實用性低。
本發(fā)明者們開發(fā)出了自動地、無先入之見地推測出生物高分子和配位體間的最穩(wěn)定的復合體結(jié)構(gòu)的方法，即ADAM法，成功地解決了上述存在的一切問題(PCT/JP93/0365，PCT國際公開WO 93/20525；M.Yamada和A.Itai，Chem.Pharm.Bull.，41，p.1200，1993；M.Y.Aamada和A.Itai，Chem.Pharm.Bull.，41，p.1203，1993；和M.Yamada Mizutani，N.Tomioka和A.Itai，J.Miol.，243，pp.310-326，1994)。
通過晶體學分析而得知復合體結(jié)構(gòu)的某些酶-抑制劑分子系統(tǒng)中，應用ADAM時，所有的情況下，能量最低的復合體模型能很好地再現(xiàn)結(jié)晶中復合體的結(jié)構(gòu)，配位體分子中的可轉(zhuǎn)動鍵扭轉(zhuǎn)角和氫鍵形式等也能極其良好地再現(xiàn)。ADAM的高精度在于全部是進行三次的最佳結(jié)構(gòu)計算(能量最小化)。所需的時間是依計算機的性能和空位(dummy)原子數(shù)、雜原子數(shù)、旋轉(zhuǎn)的鍵數(shù)而定，所以不能一概而論，但是使用廣泛普及的工作站(R4400)時，用普通的藥物分子的結(jié)構(gòu)得到初期復合體模型需要數(shù)分鐘～小于1小時程度。這種解析速度，作為不固定構(gòu)象考慮可能全部構(gòu)象的方法要比現(xiàn)在發(fā)表的最快的方法快數(shù)十倍。
可是，ADAM盡管適用于探索一個生物高分子和一個配位分子間的最穩(wěn)定的復合體結(jié)構(gòu)，但不適于從收集在數(shù)據(jù)庫的各種各樣的化合物中探索新的配位化合物，因此需要進一步加以改進。
因此，本發(fā)明的目的在于解決以上技術(shù)上存在的問題，提供從各種各樣的化合物中探索新的配位化合物的方法。
發(fā)明的公開本發(fā)明者們經(jīng)過不斷努力的研究結(jié)果，開發(fā)出了，在不斷變化試驗化合物的構(gòu)象條件下，使生物高分子和試驗化合物對接作成復合體的結(jié)構(gòu)，評價生物高分子和試驗化合物分子間的相互作用能(例如氫鍵、靜電相互作用及范德華力)，通過反復變化結(jié)構(gòu)探索上述復合體的最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，根據(jù)得到的最穩(wěn)定復合體中的生物高分子和試驗化合物的能量值，從試驗化合物群中選擇配位候補化合物，成功地從龐大的試驗化合物中選擇出多個有希望的候補化合物的方法。從而完成了本發(fā)明。
也就是本發(fā)明在于提供了從三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索新的配位化合物的方法，該方法包括，(1)對于2種以上的試驗化合物的三維坐標給予氫鍵性質(zhì)編號、分子力場計算用的信息及作成構(gòu)象用的信息的第1工序；(2)從生物高分子的三維坐標，準備配位體結(jié)合區(qū)域的物理化學的信息及空位原子的第2工序；(3)對于第1工序準備的試驗化合物的三維坐標給予氫鍵性質(zhì)編號、分子力場計算用的信息及制作構(gòu)象用的信息、以及以第2工序準備的配位體結(jié)合區(qū)域的物理化學的信息為基礎(chǔ)，在不斷變化試驗化合物的構(gòu)象條件下，使生物高分子和試驗化合物對接作成復合體的結(jié)構(gòu)，通過評價生物高分子和試驗化合物分子間的相互作用探索上述復合體的最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的第3工序；(4)根據(jù)第3工序探索的最穩(wěn)定復合體結(jié)構(gòu)時的生物高分子和試驗化合物的相互作用能量值，判斷是否將該試驗化合物選擇為配位候補化合物的第4工序及(5)對于所有的試驗化合物重復第3工序及第4工序操作的第5工序。
進而，本發(fā)明的方法也可以包括根據(jù)與生物高分子形成的氫鍵數(shù)和/或與生物高分子的相互作用能量值篩選在第4工序選擇的候補化合物的第6工序。
附圖
的簡單說明第1圖是表示構(gòu)成本發(fā)明方法的概要圖。
第2圖是表示本發(fā)明方法一實施方案的流程圖，圖中的S表示各步驟。
第3圖是表示用本發(fā)明方法作為配位候補化合物而得到的二氫葉酸還原酶的底物及已知抑制劑類似物的圖。
第4圖是表示用本發(fā)明方法得到的、具有二氫葉酸還原酶的新結(jié)構(gòu)的配位候補化合物實例的圖。
實施本發(fā)明的最佳方案在本發(fā)明的方法中，只要試驗的化合物是結(jié)構(gòu)已知的化合物就可以，對于其它沒有特殊的限制，例如可以利用現(xiàn)存數(shù)據(jù)庫中收納的各種化合物。氫鍵性質(zhì)編號是對于可以形成氫鍵官能團的識別用編號，并賦予給在該原子團中與氫鍵連接的雜原子。根據(jù)其編號，可以立刻作出該官能團的幾何學結(jié)構(gòu)及氫鍵性質(zhì)和構(gòu)成對方氫鍵性原子(空位原子)的位置。分子力場計算用信息是指，使用分子力場后，為了計算分子內(nèi)。分子間的相互作用能量給予各原子的編號和電子狀態(tài)，使用含有原子序號和原子電荷的。另外作為制作構(gòu)象用的信息是指，改變旋轉(zhuǎn)鍵的扭轉(zhuǎn)角，為了系統(tǒng)地制作不同構(gòu)象時所使用的這些扭轉(zhuǎn)角的初期值。終值及旋轉(zhuǎn)幾度后的增量值，包括了對于一個鍵，構(gòu)成扭轉(zhuǎn)角的4個原子的輸入順序號和扭轉(zhuǎn)角的初期值、終值及旋轉(zhuǎn)角。
生物高分子是指，生物體上所出現(xiàn)的高分子外，也包括模擬生物體上高分子的分子。配位體結(jié)合區(qū)域的物理化學區(qū)域的信息，是指在可以結(jié)合配位體的生物高分子的凹陷區(qū)域內(nèi)部對生物高分子的全部原子勢能的影響，包括了配位體結(jié)合區(qū)域內(nèi)的三維晶格點的氫鍵性(氫鍵受體或供體)、其三維晶格點上置以測試原子時，生物高分子和測試原子間作用的范得華相互作用能量及靜電相互作用能量。對接一般是指，形成某些配位化合物的分子和某些生物高分子的復合體，以及包括探索兩者穩(wěn)定的復合體的概念。對接，一般是使用分子模型方法、計算機和計算機圖形的模擬法或者自動對接法等而進行的。
生物高分子和試驗化合物的相互作用是指，生物高分子和試驗化合物間的作用力，例如氫鍵、靜電相互作用、范得華相互作用等。配位體或配位化合物是指，結(jié)合在生物高分子上的低分子量化合物，作為例子可以舉出藥物、酶的底物和抑制劑。輔酶、其它的生物活性物質(zhì)。
按照本發(fā)明方法的一個實施方案，上述的第3工序也可以包括以下的步驟(1)通過將生物高分子中構(gòu)成氫鍵性官能基的、成為氫鍵對象的雜原子位置上設定的空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子對應地組合，收集生物高分子和試驗化合物間的有利結(jié)合形式的步驟a；(2)系統(tǒng)地改變試驗化合物的構(gòu)象條件下，通過比較上述的空位原子間的距離和上述氫鍵性雜原子間的距離，同時判斷生物高分子-試驗化合物間的可能氫鍵的形式及試驗化合物的氫鍵性部分的構(gòu)象的步驟b；和(3)對每個在步驟b得到的氫鍵形式和構(gòu)象，根據(jù)試驗化合物中的氫鍵性雜原子和空位原子的對應關(guān)系，將試驗化合物的全部原子的坐標置換成生物高分子的坐標系，得到生物高分子-試驗化合物的復合體結(jié)構(gòu)步驟c。另外，按照本發(fā)明的其它實施方案，上述的第3工序包括以下的步驟(1)通過將生物高分子中構(gòu)成氫鍵性官能基的、成為氫鍵對象的雜原子的位置上設定的空位原子和試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)中的氫鍵性雜原子對應地組合，收集生物高分子和試驗化合物間的有利結(jié)合方式的步驟a；(2)系統(tǒng)地改變試驗化合物的構(gòu)象條件下，通過比較上述的空位原子間的距離和上述氫鍵性雜原子間的距離，同時判斷生物高分子-試驗化合物間的氫鍵的形式及試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)的構(gòu)象的步驟b；(3)根據(jù)在工序b得到的氫鍵形式和構(gòu)象，將上述試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)中不能給予氫鍵形式的空位原子和氫鍵性雜原子組合、以及保存與空位原子不能形成氫鍵的氫鍵性雜原子的步驟c；(4)除去步驟c保存的氫鍵性雜原子組合群、及在工序c中保存的空位原子和氫鍵性雜原子的組合群，收集空位原子和試驗化合物全體的氫鍵性雜原子的對應組合群，得到生物高分子-試驗化合物間的有利結(jié)合形式的步驟d；(5)系統(tǒng)地變化試驗化合物構(gòu)象的條件下，通過比較上述空位原子間的距離和上述的氫鍵性雜原子間的距離，可以同時推斷生物高分子-試驗化合物間的可能氫鍵形式及試驗化合物的氫鍵性部分的構(gòu)象的步驟e；(6)對在每個步驟e得到的氫鍵形式和構(gòu)象，根據(jù)試驗化合物中的氫鍵性雜原子和空位原子的對應關(guān)系，將試驗化合物的全部原子的坐標置換成生物高分子的坐標系，得到生物高分子-配位分子的復合體結(jié)構(gòu)的步驟f。
第3工序通過上述的各步驟，可以高速地探索生物高分子-試驗化合物的穩(wěn)定復合體結(jié)構(gòu)，同時生物高分子和/或試驗化合物即使有復雜的結(jié)構(gòu)，也可以在最短的時間內(nèi)探索出包括最穩(wěn)定的復合體結(jié)構(gòu)。
進而，按照本發(fā)明的其它實施方案，上述的第3工序也可以包括以下的步驟(1)通過將在生物高分子中構(gòu)成氫鍵性官能基的、成為氫鍵對象的雜原子的位置上設定的空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子對應地組合，收集生物高分子和試驗化合物間的有利結(jié)合方式的步驟a；(2)系統(tǒng)地變化試驗化合物構(gòu)象的條件下，通過比較上述空位原子間的距離和上述的氫鍵性雜原子間的距離，可以同時推斷生物高分子-試驗化合物間的可能氫鍵方式及試驗化合物的氫鍵性部分的構(gòu)象的步驟b；(3)保持步驟b得到的氫鍵樣式，選擇可以使空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子的位置一致的最適宜的試驗化合物的構(gòu)象，接著除去分子內(nèi)能高的試驗化合物構(gòu)象的步驟c；(4)對在步驟c未除去的每個構(gòu)象，根據(jù)試驗化合物中的氫鍵性雜原子和空位原子的對應關(guān)系，將試驗化合物的全部原子的坐標置換成生物高分子的坐標系，得到生物高分子-配位體分子的復合體結(jié)構(gòu)步驟d；(5)從步驟d得到的氫鍵性部分的復合體結(jié)構(gòu)，除去試驗化合物中的氫鍵性部分的分子內(nèi)能及生物高分子-該試驗化合物中的氫鍵性部分的分子間相互作用能量高的復合體結(jié)構(gòu)，接著對剩余的復合體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)最佳化的步驟e；(6)對在步驟e得到的每個構(gòu)象，使之產(chǎn)生試驗化合物的非氫鍵性部分的構(gòu)象，得到含有新試驗化合物的復合體結(jié)構(gòu)的步驟f；(7)從步驟f得到的復合體結(jié)構(gòu)，除去試驗化合物全體的分子內(nèi)能及生物高分子-試驗化合物的分子間相互作用能高的復合體結(jié)構(gòu)，接著對剩余的結(jié)構(gòu)進行最佳化的步驟g。
第3工序通過上述的步驟，雖然使生成的構(gòu)象數(shù)減少，但也可以選擇適當?shù)膹秃象w結(jié)構(gòu)，得到精度高的穩(wěn)定復合體。
在上述的方法中，對于氫鍵性官能基是含有與氫鍵相關(guān)的官能基及原子。另外所謂的氫鍵性雜原子是指構(gòu)成存在于試驗化合物中的氫鍵性官能基的雜原子。所謂的氫鍵性部分，是指試驗化合物中含有與空位原子對應的氫鍵性雜原子的結(jié)構(gòu)部分，非氫鍵性部分是指氫鍵性部分以外的結(jié)構(gòu)部分。
進而，本發(fā)明其它的實施方案在于提供了通過讀取試驗化合物的三維坐標，必要時附加氫原子的三維坐標，賦予原子型號、氫鍵性質(zhì)編號、原子電荷及鍵轉(zhuǎn)動的樣式作成三維數(shù)據(jù)庫的方法。
以下，參照第2圖的流程圖，對本發(fā)明的優(yōu)選方案加以說明。第2圖的S表示各步驟，所說的ADAM，在國際公開WO93/20525號說明書(國際
公開日1993年10月14日)中表示了的生物高分子-配位分子的穩(wěn)定復合體結(jié)構(gòu)的探索方法。此外，PCT國際公開WO 93/20525號說明書的內(nèi)容包括在本說明書中。
最初，作成2種以上的試驗化合物的ADAM規(guī)格的三維數(shù)據(jù)庫(SI)。上述的數(shù)據(jù)庫可以按照以下的方法作成。首先輸入試驗化合物的三維坐標。作為試驗化合物的三維坐標可以使用通過從二維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫得到的二維坐標用力場計算法變換成三維坐標或者以結(jié)晶數(shù)據(jù)庫或能量計算為基礎(chǔ)的模型構(gòu)建的立體結(jié)構(gòu)等而得到的坐標。對于試驗化合物的原子坐標表示的立體結(jié)構(gòu)，只要原子間的結(jié)合距離、結(jié)合角等的幾何學量正確，基本上構(gòu)象不成為問題。為了盡量正確地計算出構(gòu)成試驗化合物的各原子的電荷，最好單獨地輸入給予穩(wěn)定立體結(jié)構(gòu)的原子坐標。
輸入上述的化合物的三維坐標后，必要時，附加氫原子，進而，自動地附加各原子的原子型編號、氫鍵性雜原子的氫鍵性質(zhì)編號、各原子的電荷、鍵旋轉(zhuǎn)的方式(如何進行旋轉(zhuǎn)、或者從幾度開始旋轉(zhuǎn)，每隔幾度旋轉(zhuǎn)等)，而作成三維數(shù)據(jù)庫。
構(gòu)成試驗化合物的原子的原子型號可以使用Weiner等(Weiner，S.J.，Kollman，P.A.，Case，D.A.，Singh，U.C.，Ghio.C.，Alagona，G.，Profeta，S.，Jr.，和Weiner，P.，J.Am.Chem.Soc.，106，1984，pp.765-794)所附加的編號。試驗化合物中存在的氫鍵性雜原子的氫鍵性質(zhì)編號可按照以下表1進行附加。構(gòu)成試驗化合物的各原子的電荷可以按照Gasteiger法、MOPAC程序中的NNDO法、AMI法等的分子軌道計算法算出。鍵旋轉(zhuǎn)的方式，最好采用在60°～120°一定的旋轉(zhuǎn)角下，使可扭轉(zhuǎn)的單鍵旋轉(zhuǎn)的方式。表1氫鍵性質(zhì)編號 構(gòu)成氫鍵性官能基的原子種類1 伯胺sP2的N2 伯胺sP3的N3 銨離子的sP3的N4 酰胺的sP2的N5 仲胺的sP3的N6 芳香族基的N7 質(zhì)子化芳香N的N8 叔胺的N9 質(zhì)子化叔胺N10 帶有可旋轉(zhuǎn)的羥基的011 醚的012 羰基的013 羧酸鹽的陰離子的014 羧酸的015 磷酸鹽的016 水分子的017 巰基的S18 硫醚的S19 氫的位置固定的羥基的0接著，輸入構(gòu)成生物高分子原子的編號和原子坐標(但是氫原子的原子坐標除外。)(S2)。生物高分子的原子坐標可以使用由X線結(jié)晶解析和NMR解析而得到的立體結(jié)構(gòu)信息、由蛋白質(zhì)結(jié)晶數(shù)據(jù)庫等入手的信息、或者以這些信息為基礎(chǔ)構(gòu)建的生物高分子模型的原子坐標等。生物高分子的原子坐標最好用三維坐標系表示。另外結(jié)合在生物高分子上后，在結(jié)構(gòu)上、功能上都起重要作用的輔助因子也看作生物高分子的一部分，也可以在輸入結(jié)合了該輔助因子狀態(tài)的生物高分子的原子坐標后，進行后續(xù)的步驟。這些輔助因子可以舉出輔酶、水分子或者金屬離子等。
接著上述的步驟，計算出存在于生物高分子中、構(gòu)成氨基酸殘基的氫原子的原子坐標(S3)。一般，用X射線晶體學分析和NMR解析等的實驗方法求出生物高分子的氫原子的位置是困難的，而且也不能從蛋白質(zhì)結(jié)晶數(shù)據(jù)庫等得到有關(guān)氫原子的信息。因此，有必要根據(jù)存在于生物高分子中的氨基酸殘基的結(jié)構(gòu)計算出構(gòu)成該氨基酸殘基的氫原子的原子坐標。由于結(jié)合在可旋轉(zhuǎn)的氨基酸殘基，其原子坐標不能一次確定的氫原子，最好假定存在于反位上后，計算出原子坐標。
而后，將電荷附加在構(gòu)成生物高分子中的氨基酸殘基的原子上(S4)，對于構(gòu)成生物高分子中的氫鍵性官能基的雜原子附加氫鍵性質(zhì)編號(S5)。作為電荷值可以使用對各氨基酸算出的文獻值，例如Weiner的值等(Weiner，S.J.，Kollman，P.A.Case，D.A.，Singh，U.C.，Ghio，C.，Alagona，G.，Profeta，S.，Jr.和Weiner，P.，J.Am.Chem.Soc.，106，1984，pp.765-784)。氫鍵性質(zhì)的編號可按照表1標記。
以下，指定配位體結(jié)合區(qū)域(S6)。作為結(jié)合區(qū)域，包括生物高分子的任意部位的區(qū)域，優(yōu)選的是選擇矩形的區(qū)域。根據(jù)目的，也可以選擇配位體結(jié)合袋和其周圍的生物高分子的部位，必要時，可以選擇包括結(jié)合效應因子等的其它分子的生物高分子部位的區(qū)域。此外，配位體結(jié)合袋是指，在生物高分子的凹陷的分子表面，結(jié)合底物或抑制劑等配位體分子的穴。配位體結(jié)合區(qū)域范圍的確定，可以利用例如程序GREEN(Tomioka，N.，Itai，A.，and Litaka，Y.，Journal of ComputerAided Molecular Design，vol.I，1987，pp.197-210)的一部分功能。
在S6指定的區(qū)域內(nèi)，使之發(fā)生三維晶格點，對各三維晶格點進行標記符號和晶格點的數(shù)據(jù)計算(S7)。所謂三維晶格點是指，在生物高分子的配位體結(jié)合的區(qū)域內(nèi)的每隔一定的間隔，所發(fā)生在三維晶格上的點，所謂晶格點的數(shù)據(jù)包括了，在各三維晶格點上，假定探測原子后，計算出的生物高分子和探測原子間的范得華相互作用能及靜電相互作用能，以及氫鍵性等的配位體結(jié)合區(qū)域的局部的物理化學的數(shù)據(jù)。通過利用這些三維晶格點的晶格點的信息，可以快速且近似地計算出以后步驟中生物高分子和試驗化合物的分子間的相互作用能，而且，可以合理地決定以后步驟中設定的空位原子的位置。其結(jié)果，能夠在短時間內(nèi)無遺漏地探索生物高分子和試驗化合物的對接模型。
三維晶格點，是在0.3～2.0埃、優(yōu)選的是0.3～0.5埃的一定間隔，在S6的指定的區(qū)域內(nèi)發(fā)生。作為探測原子最好是選用含在可成為配位體的化合物中的所有的原子種類。配置在各三維晶格點的各探測原子和生物高分子間的范得華相互作用能，可通過使用經(jīng)驗的勢能函數(shù)，按照常規(guī)方法的原子對計算而得到。經(jīng)驗的勢能函數(shù)，可以使用下述的Lennard-Jones type函數(shù)。Gvdw,i=Σj(A/rij12-B/rij6)]]>式中，i是表示探測原子位置的編號、j是表示生物高分子的原子編號。A及B是表示決定極小的勢能位置和大小的參數(shù)。rij是表示配置在第i位的探測原子和生物高分子的第j位原子間的距離。另外，上述的A及B的參數(shù)可以使用Weiner等的值(Weiner，S.J.，Kollman，P.A.Case，D.A.，Singh，U.C.，Ghio，C.，Alagona，G.，Profeta，S.，Jr.和Weiner，P.，J.Am.Chem.Soc.，106，1984，pp.765-784)。
將試驗化合物配置在三維晶格點上時的試驗化合物-生物高分子間的范得華相互作用能可從下式(式中，m是試驗化合物中的原子的編號、N是試驗化合物中的原子數(shù)、m0是與m位的原子最接近的三維晶格點的編號)計算。Evdw=Σm=1NGvdw,mo]]>配置在各三維晶格點上的探測原子和生物高分子間的靜電相互作用能可以通過以下的式子(式中i、j及rij是如上的定義，qj表示生物高分子第j位的原子電荷，K是變換能量單位的常數(shù)，ε表示介電常數(shù))計算出。上述的介電常數(shù)也可以使用恒定的值，但最好使用Warshel等提出的依賴值(Warshel，A.，J.Phys.Chem.，83，1979，pp.1640-1652)。Geic,i=ΣjKqj/ϵrij]]>將試驗化合物配置在三維晶格點上時的試驗化合物-生物高分子間的靜電作用能相互作用能可從下式(式中，m、N、m0是與上述定義相同)計算。Eeic=Σm=1NqmGeic,mo]]>所謂氫鍵性晶格點的信息是指給氫性原子或者受氫性原子中的一個原子配置在三維晶格點上時，可與生物高分子的氫鍵性官能基形成氫鍵，或者即使任一個原子配置在三維晶格點上，該原子都可與生物高分子的氫鍵性官能基形成氫鍵(或不能形成氫鍵)的信息。例如，通過在受氫性的三維晶格點上標記1、在給氫性的三維晶格點上標記2、具有兩方性質(zhì)的三維晶格點上標記3、在沒有氫鍵性的三維晶格點上標記0的符號，來表示三維晶格點上的氫鍵性。
三維晶格點上的氫鍵性可用以下的方法判斷。三維晶格點P和生物高分子中存在的給氫性原子D間的距離DP是可以形成氫鍵的距離(例如，2.5～3.1埃)，而且，三維晶格點P、氫H、及給氫原子D所成的角度∠DHP只要是可形成氫鍵的角度(例如30度以上)，就可以判斷此三維晶格點是受氫性的。同樣，某三維晶格點P和生物高分子中存在的受氫性原子A間的距離PA是可以形成氫鍵的距離，而且，三維晶格點P、孤立電子對L、及受氫性原子A所成的角度∠ALP只要是可形成氫鍵的角度，就可以判斷此三維晶格點是給氫性的。此外，某三維晶格點若沒有受氫性也沒有給氫性時，可以按照沒有氫鍵性對待。
接著，在生物高分子中存在的氫鍵性官能基中，從S6指定的區(qū)域內(nèi)的氫鍵性官能基中選擇出預想可與試驗化合物形成氫鍵性官能基(S8)。存在有多個氫鍵性官能基時，可根據(jù)其重要性進行選擇。進而，根據(jù)S7計算出的三維晶格點的信息，對于S8選擇出的各氫鍵性官能基設定空位原子(S9)。
此步驟中，基于S7計算出的三維晶格點的氫鍵性，確定可與在S8選擇出的各氫鍵性官能基形成的氫鍵區(qū)域(氫鍵性區(qū)域)后，在含有適當數(shù)(例如5-20個)的三維晶格點的氫鍵性區(qū)域的三維晶格點的中心配置空位原子。在該氫鍵性區(qū)域內(nèi)，其它的范得華半徑外配置空位原子。氫鍵性區(qū)域是由具有相同的氫鍵性、而且互相鄰接的一群三維晶格點構(gòu)成的區(qū)域。由1個氫鍵性官能基有時可以設定2個以上的空位原子，相反1個空位原子也不能設定的情況也會發(fā)生，應給予足夠的注意。設定的空位原子數(shù)多時，在與配位體結(jié)合區(qū)域的內(nèi)孔的縱向深度內(nèi)，最好縮減到10個以下，如5-20個，以便只留下認為重要的空位原子。此外，在空位原子的中心給予與配置了該空位原子三維晶格點相同的氫鍵性。
接著，選擇一個試驗化合物(S10)，從S1作成的ADAM規(guī)格數(shù)據(jù)庫讀取選擇的試驗化合物的三維坐標、氫鍵性質(zhì)編號、分子力場計算用信息及作成構(gòu)象用信息(S11)。而后，在空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子間賦予對應的氫鍵關(guān)系(S12)。將空位原子數(shù)取為m個、存在于試驗化合物中的氫鍵性雜原子的數(shù)取為n個時，則形成i個氫鍵的對應關(guān)系(組合)的數(shù)N(i)成為，mPi×nCi(P表示順序、C表示組合)個。最好選擇空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子的所有可能的組合。
而后，對于滿足關(guān)系1min≤i≤1max的所有i，反復操作S12～S29的步驟。其結(jié)果，在空位原子和存在于試驗化合物中的氫鍵性雜原子間，可以選擇Σi=1min1maxN(i)]]>個的組合群的全部。通過這樣的操作，選擇生物高分子和試驗化合物形成的氫鍵性的全部組合群，可以系統(tǒng)地且有效地探索生物高分子和試驗化合物的結(jié)合方式。最好選擇1min作為空位原子和氫鍵性雜原子的數(shù)中較小的值，最好選擇1max為空位原子和氫鍵性雜原子的數(shù)中較大的值。
更具體的說，選擇在S12中標記對應關(guān)系的、空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子組合群的一個(S13)。此時，不要選擇空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子不一致的組合。接著，對于含在S13選擇的組合群中的空位原子，計算出各空位原子間的距離(S14)。此外，空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子數(shù)，其中為1個時，則不進行S14～S21的步驟直接跳到S26的步驟?？瘴辉拥臄?shù)和試驗化合物中的氫鍵性雜原子數(shù)，都是一個時，則不進行S14～S21的步驟直接跳到S22的步驟。
將試驗化合物分割成氫鍵性部分和非氫鍵性部分(S15)，對于在S15分割的試驗化合物的氫鍵性部分選擇可扭轉(zhuǎn)的鍵和其扭轉(zhuǎn)方式(S16)。而后，將S16選擇的鍵，按照輸入到S1作成的ADAM規(guī)格三維數(shù)據(jù)庫的鍵旋轉(zhuǎn)方式進行旋轉(zhuǎn)，順次生成試驗化合物的構(gòu)象(S17)。而后，對每個生成構(gòu)象重復操作以后的S18～S29的步驟。
這些步驟的詳細過程如下。對于S17生成的構(gòu)象，計算出含在S13選擇組合群的試驗化合物中的各氫鍵性雜原子的原子距離(S18)。計算S14得到的空位原子的原子距離和S18得到的對應試驗化合物中的氫鍵性雜原子的原子間距離的差的平方和的F值，并且除去該F值在一定范圍以上的氫鍵性組合和構(gòu)象(S19)。也就是，在下述情況時，F(xiàn)=Σjn(n-1)2(rli-rdi)2]]>要除去Ka≤F≤Ka′范圍以外的氫鍵組合(式中，n表示氫鍵的數(shù)，rdi表示第i位的空位原子間的距離，rli表示試驗化合物的氫鍵性雜原子的第i位的原子間的距離，Ka表示F的下限值，Ka′表示F的上限值)。上述的Ka最好是0.6～0.8，Ka′最好是1.2～1.4。通過此步驟，可以高效地收集生物高分子和試驗化合物的氫鍵方式及配位體的構(gòu)象。
而后，對于在S19未能除去的氫鍵組合群和構(gòu)象，使試驗化合物的氫鍵性部分構(gòu)象最佳化以便使上述的F值最小(S20)。通過此步驟，修正試驗化合物的構(gòu)象，以便使生物高分子和試驗化合物形成穩(wěn)定的氫鍵。將存在于試驗化合物的氫鍵部分的能扭轉(zhuǎn)鍵的扭轉(zhuǎn)角作為變量，用Fletcher-Powell法(Fletcher，R.，Powell，M.j.D.，ComputerJ.，6，1968，P.163)使上述函數(shù)F的值最小化，可以檢索到最適宜的試驗化合物的氫鍵性部分的構(gòu)象。
接著，計算出在S20的步驟中最適宜的試驗化合物的氫鍵性部分的分子內(nèi)能量后，除去該分子內(nèi)能量值在一定值以上的構(gòu)象(S21)。例如，使用AMBER 4.0的分子力場，計算試驗化合物的氫鍵性部分的分子內(nèi)能量時，最好除去該分子內(nèi)能量為100K cal/mol以上的構(gòu)象。而后，將試驗化合物的原子坐標置換成生物高分子的坐標系，以便使在上述S21前的步驟得到的、具有構(gòu)象的試驗化合物的氫鍵性雜原子的坐標與對應的空位原子的坐標一致(S22)。在此步驟中可以使用Kabsh的最小二乘法(Kabsh，W.，Acta Cryst.，A32，1976，p.922；Kabsh，W.，ActaCryst.，A34，1978，p.827)。通過這樣的操作，可以同時大致推斷可能的氫鍵形式和試驗化合物的氫鍵結(jié)合性部分的構(gòu)象。
接著上述的步驟，計算出生物高分子和試驗化合物的氫鍵性部分的分子間的相互作用能(范得華相互作用能及靜電相互作用能的和)、及試驗化合物的氫鍵部分的分子能(S23)。生物高分子和試驗化合物的氫鍵性部分的分子間的相互作用能EINTER，是使用最接近試驗化合物中的各原子K的三維晶格點的晶格點信息的范得華相互作用能Gvdw(k)及靜電相互作用能Gelc(k)，可以從下式(式中的qk表示原子k的電荷)算出。Einter=ΣK{Gvdw(k)+Geic(k)·qK}]]>此外，試驗化合物的氫鍵性部分的分子內(nèi)的能量EINTER可以按照已知的方法計算出。例如，EINTER使用AMBER4.0等公開了的力場用下式計算出〔式中Vn表示對于構(gòu)成扭轉(zhuǎn)角的4個原子的原子型的排列所給予的常數(shù)、n表示對扭轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)勢能對稱性的函數(shù)、φ表示扭轉(zhuǎn)角、γ表示相對扭轉(zhuǎn)角的勢能相位(對于構(gòu)成扭轉(zhuǎn)角的4個原子的原子型的排列所給予的)、Aij和Bij是表示試驗化合物分子中的第i位和第j位的原子間的距離、qi表示試驗化合物分子中的第i位的原子的電荷、qj表示試驗化合物分子中的第j位的原子的電荷、ε表示介電常數(shù)〕。Eintra=ΣDihedralsΣnVn/2{1+cos(nφ-γ)}]]>+Σi<j(Aij/Rij12-Bij/Rij6)+Σi<j(qiqj/ϵRij)]]>除去在S23計算出的分子間相互作用能和分子內(nèi)能的和超過一定值以上的試驗化合物的構(gòu)象(S24)。例如最好除去上述的能量和為10Kcal/mol(分子量100時)以上的構(gòu)象。而后，將在S24未除去的、具有構(gòu)象的試驗化合物的氫鍵性部分的結(jié)構(gòu)進行最適宜的調(diào)整(S25)。進行最佳結(jié)構(gòu)計算，將試驗化合物氫鍵性部分的扭轉(zhuǎn)角、及試驗化合物的位置及方向的最優(yōu)組合，可以得到最佳的試驗化合物的氫鍵性部分的結(jié)構(gòu)。
例如，使用Powell法(Press，W.H.，F(xiàn)lannery，B.P.，Teukolsky，S.A.，Vitterling，W.T.，Numerical Recipes in C，Cambridge University，Press，Cambridge，1989)可從下式計算出全能量最小的Etotal，從而使試驗化合物的氫鍵性部分的結(jié)構(gòu)最佳化。Etotal＝Einter+Eintra+Whb·Nhb·Chb〔式中，Einter及Eintra如上所述的定義，Whb表示重量、Nhb表示氫鍵的數(shù)及Chb表示1個氫鍵的穩(wěn)定能(例如2.5Kcal/mol)〕接著，將試驗化合物的非氫鍵性部分的能旋轉(zhuǎn)的鍵，按照輸入到S1作成的ADAM規(guī)格的三維數(shù)據(jù)庫的鍵旋轉(zhuǎn)方式進行旋轉(zhuǎn)，使之順次生成試驗化合物的構(gòu)象(S26)，對每個生成的構(gòu)象重復操作以后的S27-S29的步驟。具體的是計算出生物高分子和試驗化合物的分子間的相互作用能以及試驗化合物的分子內(nèi)能(S27)，除去在S27算出的分子間的相互作用能與分子內(nèi)能的和超過一定值以上的試驗化合物的構(gòu)象(S28)。而后將在S28未除去的、具有構(gòu)象的試驗化合物的全部試驗化合物進行最適宜的調(diào)整(S29)，算出S29前的步驟得到的生物高分子-試驗化合物的復合體的結(jié)構(gòu)的能量，選擇出該能量最小的最穩(wěn)定的復合體的結(jié)構(gòu)(S30)。
用與S23相同的方法可以算出分子間相互作用能及分子內(nèi)能(其中，在S23只是對試驗化合物分子的氫鍵性部分進行計算，但是在S27中需要對全體試驗化合物進行計算)。另外，作為上述能量和的上限值最好是10Kcal/mol(對分子量100)。通過此步驟可以得到生物高分子和試驗化合物的穩(wěn)定復合體及試驗化合物的活性構(gòu)象。試驗化合物分子的最佳選擇可用與S25步驟相同的方法進行(其中，在S25只是對試驗化合物分子的氫鍵性部分的結(jié)構(gòu)進行最佳化，但是在S29中需要對全體試驗化合物分子進行結(jié)構(gòu)最佳化)。
上述生物高分子和試驗化合物的對接操作可使用自動對接程序ADAM的方法進行(PCT國際公開WO93/20525；Yamada，M.andItai，A.，Chem.Pharm.Bull.，41，1993，p.1200；Yamada，M.and Itai，A.，Chem.Pharm.Bull.，41，1993，p.1203；Yamada Mizutani，M.，Tomika，N.，and Itai，A.，J.Mol.Biol.，243，1994，pp.310-326)根據(jù)S30得到的最穩(wěn)定的復合體結(jié)構(gòu)中的生物高分子和試驗化合物的分子間的相互作用能量、試驗化合物的分子內(nèi)能的值、氫鍵數(shù)及環(huán)的數(shù)等的所有基準或其一部分，判斷該試驗化合物是否可選擇為配位體候補化合物(S31)。作為分子間的相互作用能可以舉出靜電相互作用能、范得華相互作用、氫鍵能及這些的和。例如可將靜電相互作用能量與范得華相互作用的和，對于每分子量100-2Kcal/mol以下的試驗化合物選擇為配位體候補化合物。而后，判斷是否選擇了所有的試驗化合物(S32)，如果沒有選擇所有的化合物時，則回到S10的步驟重復S10-S31的操作步驟，選擇完畢時進入S33的步驟。
在S31中，從選擇了的配位體候補化合物中篩選更有希望的配位體候補化合物(S33)。在此篩選前，要輸出試驗化合物的信息表(例如生物高分子和試驗化合物的分子間的相互作用能量的值、氫鍵數(shù)及環(huán)的數(shù)等)，這樣對確定篩選標準是非常便利的。例如，最好將生物高分子和配位體候補化合物間可形成的氫鍵數(shù)、生物高分子和配位體候補化合物的分子間相互作用能量值及原子數(shù)等作為基準進行篩選。
作為分子間相互作用能可以舉出靜電相互作用能、范得華相互作用能及這些的和。例如，可將靜電相互作用能量與范得華相互作用的和，對于每分子量100-8Kcal/mol以下的試驗化合物分子篩選為有希望的配位體候補化合物。氫鍵的數(shù)可根據(jù)生物高分子的種類設定任意的數(shù)，但最好設定為2以上，優(yōu)選的是3以上。原子數(shù)也可以任意的設定，如20個以上，但是最好設定20-40個的范圍。
由生物高分子制作非常多的空位原子時，或者試驗化合物具有相當大的構(gòu)象自由度或具有很多的雜原子時，可按照本發(fā)明的更好的實施方案，在S9的步驟中輸入有關(guān)試驗化合物的信息后，對試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)進行S13-S25的步驟，將其部分結(jié)構(gòu)中不能給予氫鍵的空位原子與試驗化合物中的氫鍵性雜原子進行組合，以及保存與空位原子不能形成氫鍵的試驗化合物中的氫鍵性雜原子的信息。試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)在不受任何的結(jié)構(gòu)限制條件下，可以任意的確定，但是最好是含有3個以上的氫鍵性官能基的結(jié)構(gòu)部分。另外可以忽視該結(jié)構(gòu)部分的構(gòu)象自由度的存在與否。
接著上述的步驟，對試驗化合物的全體結(jié)構(gòu)進行S13-S33的步驟，但是要將上述步驟中含有的保存的氫鍵性雜原子組合群及空位原子和氫鍵性雜原子的組合群從S12步驟作成的對應關(guān)系的組合群中除去。其結(jié)果，可以減少試驗化合物組合群及構(gòu)象的數(shù)，大大地縮短了檢索生物高分子-試驗化合物的穩(wěn)定復合體的結(jié)構(gòu)所需的時間(上述方法稱為Pre-Pruning法也稱為PP法)。PP法是基于以下的假設，即在試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)中不能成為氫鍵形式和配位體構(gòu)象，在試驗化合物全體的結(jié)構(gòu)中也是不可能的。通過采用PP法，可在不影響得到的生物高分子-試驗化合物復合體結(jié)構(gòu)的精度和可靠性的條件下，大幅度地縮短檢索時間。
實施例為了驗證本發(fā)明方法的有效性，將二氫葉酸還原酶作為靶生物高分子，將底物和已知抑制劑、或者這些的模擬物作為配位體候補化合物進行是否可選擇的試驗。
作為二氫葉酸還原酶(以下稱為“DHFR”)的原子坐標，是使用從Protein Data Back entry 4DFR得到的大腸桿菌的DHFR-甲氨蝶呤的二維復合體的原子坐標得到的值。根據(jù)DHFR-葉酸-NADP+的三維復合體的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，將輔助因子NADP+分子的原子坐標附加在上述二維復合體的原子坐標上。此時，除了很強的結(jié)合在DHFR上、用化學方法不能除去的2個水分子以外的所有水分子都從上述二維復合體的原子坐標上除去。未除去的2個分子中的一個以氫鍵結(jié)合在DHFR的21位的色氨酸及26位的天冬氨酸上，另一個以氫鍵結(jié)合在114位的亮氨酸及116位的蘇氨酸上。
作為試驗化合物的數(shù)據(jù)庫使用含有大約110,000個分子數(shù)據(jù)的TheAvailable Chemicals Directory(ACD-3D、MDL社)，從收納在上述數(shù)據(jù)庫中的分子中，將除去原子數(shù)5個以下的分子、用H、C、Si及鹵素構(gòu)成的分子、含有H、C、N、O、S、P及鹵素外的分子、具有6個以上可旋轉(zhuǎn)鍵的分子及不具有環(huán)的分子的10，017個分子作為解析對象，并進行氫原子的加成和賦予原子型編號、氫鍵性質(zhì)編號、原子電荷及鍵的旋轉(zhuǎn)形式(以120度的旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn))。作為選擇配位候補化合物的判斷基準將與靶生物高分子(酶)的相互作用的能量值是每100的分子量-7Kcal/mol以下、氫鍵數(shù)3根以上，而且原子數(shù)為25以上作為基準的。
用本發(fā)明的方法，最終選擇了大約1400個的試驗化合物作為配位體候補化合物，從輸入生物體高分子三維坐標到選擇配位體候補化合物的時間大約80小時。這些配位體候補化合物中，以第3圖所示的化合物為主都含有多數(shù)的底物及已知抑制劑的類似物。抑制劑氨甲蝶呤和底物二氫葉酸，由于可旋轉(zhuǎn)的鍵的限制從這次檢索排除，選擇了甲氧芐氨嘧啶作為候補化合物。另外用本發(fā)明的方法提示的配位體候補化合物的鍵形式及構(gòu)象是與從底物和抑制劑類似物和酶的復合體結(jié)晶結(jié)構(gòu)推測的鍵形式及構(gòu)象很一致。
另外，用本發(fā)明的方法，可以選擇很多的具有與底物、已知抑制劑類似性少的新結(jié)構(gòu)的配位體候補化合物。在第4圖中表示了對接模型例。圖中，粗線表示配位體分子的骨架、點線表示氫鍵、細的實線表示生物高分子的一部分、虛線所畫的籠子表示在配位體的原子中心可允許的區(qū)域。觀察這些對接模型，可以看出能形成多根的氫鍵，與酶的凹處形狀的配合性相當良好。因此，這些配位體候補化合物可以期待作為二氫葉酸還原酶的抑制劑的前導化合物。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性按照本發(fā)明的方法，在考慮自由度的條件下，短時間內(nèi)可以從三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索出對結(jié)構(gòu)已知的靶生物高分子配位的配位化合物，極其容易地得到可靠性高的檢索結(jié)果。因此，按照本發(fā)明的方法，在醫(yī)學、藥學區(qū)域中對于生物高分子起著抑制劑和激動劑或拮抗劑作用的前導化合物等的制作是非常有用的。
權(quán)利要求
1.從三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索生物高分子配位化合物的方法，該方法包括(1)對于2種以上的試驗化合物的三維坐標給予氫鍵性質(zhì)編號、分子力場計算用的信息及形成構(gòu)象用的信息的第1工序；(2)從生物高分子的三維坐標，準備配位體結(jié)合區(qū)域的物理化學的信息及空位(dummy)原子的第2工序；(3)對于第1工序準備的試驗化合物的三維坐標給予氫鍵性質(zhì)編號、分子力場計算用的信息及制作構(gòu)象用的信息、以及以第2工序準備的配位體結(jié)合區(qū)域的物理化學的信息為基礎(chǔ)，在不斷變化試驗化合物的構(gòu)象條件下，使生物高分子和試驗化合物對接作成復合體的結(jié)構(gòu)，通過評價生物高分子和試驗化合物分子間的相互作用探索上述復合體的最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的第3工序；(4)根據(jù)第3工序探索的最穩(wěn)定復合體結(jié)構(gòu)時的生物高分子和試驗化合物的相互作用能量值，判斷是否將該試驗化合物選擇為配位候補化合物的第4工序及(5)對于所有的試驗化合物重復第3工序及第4工序操作的第5工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的第3工序包括以下的步驟(1)通過將生物高分子中構(gòu)成氫鍵性官能基的、成為氫鍵對象的雜原子位置上設定的空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子對應地組合，收集生物高分子和試驗化合物間的有利結(jié)合形式的步驟a；(2)系統(tǒng)地改變試驗化合物的構(gòu)象條件下，通過比較上述的空位原子間的距離和上述氫鍵性雜原子間的距離，同時判斷生物高分子-試驗化合物間的可能氫鍵的形式及試驗化合物的氫鍵性部分的構(gòu)象的步驟b；(3)對每個在步驟b得到的氫鍵形式和構(gòu)象，根據(jù)試驗化合物中的氫鍵性雜原子和空位原子的對應關(guān)系，將試驗化合物的全部原子的坐標置換成生物高分子的坐標系，得到生物高分子-試驗化合物的復合體結(jié)構(gòu)步驟c。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的第3工序包括以下的步驟(1)通過將生物高分子中構(gòu)成氫鍵性官能基的、成為氫鍵對象的雜原子的位置上設定的空位原子和試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)中的氫鍵性雜原子對應地組合，收集生物高分子和試驗化合物間的有利結(jié)合方式的步驟a；(2)系統(tǒng)地改變試驗化合物的構(gòu)象條件下，通過比較上述的空位原子間的距離和上述氫鍵性雜原子間的距離，同時判斷生物高分子-試驗化合物間的氫鍵的形式及試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)的構(gòu)象的步驟b；(3)根據(jù)在工序b得到的氫鍵形式和構(gòu)象，將上述試驗化合物的部分結(jié)構(gòu)中不能給予氫鍵形式的空位原子和氫鍵性雜原子組合、以及保存與空位原子不能形成氫鍵的氫鍵性雜原子的步驟c；(4)除去步驟c保存的氫鍵性雜原子組合群、及在工序c中保存的空位原子和氫鍵性雜原子的組合群，收集空位原子和試驗化合物全體的氫鍵性雜原子的對應組合群，得到生物高分子-試驗化合物間的有利結(jié)合形式的步驟d；(5)系統(tǒng)地變化試驗化合物構(gòu)象的條件下，通過比較上述空位原子間的距離和上述的氫鍵性雜原子間的距離，可以同時推斷生物高分子-試驗化合物間的可能氫鍵形式及試驗化合物的氫鍵性部分的構(gòu)象的步驟e；(6)對在每個步驟e得到的氫鍵形式和構(gòu)象，根據(jù)試驗化合物中的氫鍵性雜原子和空位原子的對應關(guān)系，將試驗化合物的全部原子的坐標置換成生物高分子的坐標系，得到生物高分子-配位分子的復合體結(jié)構(gòu)的步驟f。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中上述的第3工序包括以下的步驟(1)通過將在生物高分子中構(gòu)成氫鍵性官能基的、成為氫鍵對象的雜原子的位置上設定的空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子對應地組合，收集生物高分子和試驗化合物間的有利結(jié)合方式的步驟a；(2)系統(tǒng)地變化試驗化合物構(gòu)象的條件下，通過比較上述空位原子間的距離和上述的氫鍵性雜原子間的距離，可以同時推斷生物高分子-試驗化合物間的可能氫鍵方式及試驗化合物的氫鍵性部分的構(gòu)象的步驟b；(3)保持步驟b得到的氫鍵樣式，選擇可以使空位原子和試驗化合物中的氫鍵性雜原子的位置一致的最適宜的試驗化合物的構(gòu)象，接著除去分子內(nèi)能高的試驗化合物構(gòu)象的步驟c；(4)對在步驟c未除去的每個構(gòu)象，根據(jù)試驗化合物中的氫鍵性雜原子和空位原子的對應關(guān)系，將試驗化合物的全部原子的坐標置換成生物高分子的坐標系，得到生物高分子-配位體分子的復合體結(jié)構(gòu)步驟d；(5)從步驟d得到的氫鍵性部分的復合體結(jié)構(gòu)，除去試驗化合物中的氫鍵性部分的分子內(nèi)能及生物高分子-該試驗化合物中的氫鍵性部分的分子間相互作用能量高的復合體結(jié)構(gòu)，接著對剩余的復合體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)最佳化的步驟e；(6)對在步驟e得到的每個構(gòu)象，使之產(chǎn)生試驗化合物的非氫鍵性部分的構(gòu)象，得到含有新試驗化合物的復合體結(jié)構(gòu)的步驟f；(7)從步驟f得到的復合體結(jié)構(gòu)，除去試驗化合物全體的分子內(nèi)能及生物高分子-試驗化合物的分子間相互作用能高的復合體結(jié)構(gòu)，接著對剩余的結(jié)構(gòu)進行最佳化的步驟g。
5.使用權(quán)利要求1-4中的任何一項所述的方法檢索出的生物高分子的配位化合物。
6.含有試驗化合物三維坐標的三維數(shù)據(jù)庫，是對試驗化合物三維坐標給予的信息，其中包括從原子型號、氫鍵性質(zhì)編號、原子電荷及鍵轉(zhuǎn)動的方式中選出的信息，根據(jù)需要再附加氫原子的三維坐標信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)據(jù)庫，它是用于檢索對生物高分子的配位化合物用。
全文摘要
三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索對生物高分子配位化合物的方法,該方法包括以下的工序,(1)對于2種以上的試驗化合物的三維坐標給予氫鍵性質(zhì)編號、分子力場計算用的信息及作成構(gòu)象用的信息的第1工序;(2)從生物高分子的三維坐標,準備配位體結(jié)合區(qū)域的物理化學的信息及空位原子的第2工序;(3)對于第1工序準備的試驗化合物的三維坐標給予氫鍵性質(zhì)編號、分子力場計算用的信息及制作構(gòu)象用的信息、以及以第2工序準備的配位體結(jié)合區(qū)域的物理化學的信息為基礎(chǔ),在不斷變化試驗化合物的構(gòu)象條件下,使生物高分子和試驗化合物對接作成復合體的結(jié)構(gòu),通過評價生物高分子和試驗化合物分子間的相互作用探索上述復合體的最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的第3工序;(4)根據(jù)第3工序探索的最穩(wěn)定復合體結(jié)構(gòu)時的生物高分子和試驗化合物的相互作用能量值,判斷是否將該試驗化合物選擇為配位候補化合物的第4工序及(5)對于所有的試驗化合物重復第3工序及第4工序操作的第5工序。
文檔編號G06F19/18GK1171160SQ95196968
公開日1998年1月21日 申請日期1995年10月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月31日
發(fā)明者板井昭子, 水谷實穗 申請人:板井昭子