Vorlesung 10: CADD 2 (Computer Aided Drud Design)

Question 1

Docking: Posing & Scoring

Fragestelllung des Docking?

Vereinfachungen der komplexen und heuristischen Ansätze ?

Answer 1

Interaktion zweier Moleküle

• Struktur des Komplexes
• Stärke des WW

Coarse Graining

Question 2

Molecular Docking

Wozu?

Answer 2

• Vorhersage des Bindemodus
  
  • Verständnis der enzymatischen Fkt
  • Verbesserungen der Bindungsaffinitäten von Liganden
  • SAR
• Virtuelles Screening
  
  • Identifizierung von HITS

Question 3

Was macht ein Docking Programm?

Answer 3

DOCKING is like a discotheque, everything is about posing and scoring

representation (=Posing suchen)-search (vers. Bindungsgeometrien generieren)-scoring (energetisch bewerten)

Pose Generation-Scoring function

übliche Betrachtung: flexibler Liganden und rigider Rezeptor

Question 4

Wo ist meine Bindetasche?

(binding site)

einfachster Fall: Referenzligand

Answer 4

• eine Kristallstruktur cokristalliert mit einem small molecule
• und alle AS im Bereich 6-7 Angström um Referenzliganden Annahme gehört zur Binding site

Question 5

Druggability Prediction

-Ist mein´target durch ein small molecule adressierbar?-

Druggability- Was ist das?

Answer 5

• Gibt es eine oder mehrere Binding site(s) an die drug-like Molecules (small molecules die lipinskis rule of 5 erfüllen) binden können?

Question 6

Welche Eigenschaften muss die Bindetasche erfüllen?

Answer 6

Lock & Key Prinzip:

• >Größe
• >Ladung
• >Hydrophober Charakter

Question 7

generelle Methodenvalidierung

Prinzip`?

Answer 7

Datensatz der alle Eigenschaften umfasst

Aufteilung in “train set” und “Validation set”

Modell wird mit train set trainiert. >bestes Modell zur Validierung

>>am ende test set zur generalisierung>> prediction

bsp: druggability prediction

Question 8

druggability predicition

woher bekomme ich meinen datensätze?

Answer 8

• druggable Proteins> Literature/datenbanken

Nicht /weniger druggable: indirekt, selten Publikationen, Ausschlussverfahren aus Datenbanken

>>Negativkontrollen

Question 9

Drug Pred

Charakterische Eigenschaften für

a) druggable
b) undruggable

Answer 9

A)gewisse Größe, geschlossene Bindetasche

hydrophob mit punktueller Hydrophilie

B) stark hydrophil, relativ klein, wenig hydrophob

verlangt kovalente Bindung

oder sehr kleine Bindetasche

Question 10

Rezeptor Präsentation

Liganden und Rezeptor vorbereiten

Was muss ich bei der Auswahl des Rezeptors/Targets berücksichtigen?

Answer 10

• Binding site wählen
• Struktur säubern
• Konformationen von AS >1 wählen
• H-Atome /Protonierung? (H-Atome nicht sichtbar)
• Co-Faktoren/Ionen/Wasser
• (E-Minimierung)

Question 11

Representation

Vorbereitung des Liganden-was muss beachtet werden?

Answer 11

• 3D Struktur
• Protomere,Tautomere (Stereoisomere)
• E-minimieren und dementsprechend Konformere
• Ladung (Formal/Partial) beachten

Question 12

Posing

Annahme?

Lösung?

Answer 12

• Bindemodus: globales E>nergieminimum

>>Docking somit nur Optimization problem ( man muss “nur” den Bindemodus mit kleinsten DELTA G finden)

Allerdings zu großer Suchraum für systematische Suche

>>Initiere Matching: grenze den suchraum ein indem paar matchingspunkte vorgegeben werden (komplementäre Struktur)

Question 13

Scoring

-Welche Pose ist die beste ? Oder welcher Ligand hat die größte Affinität?-

Annahmen?

Answer 13

• Additivität vin DELTA G
• Eine Struktur: DELTA G kann anhand einer Komplexstruktur berechnet werden

Question 14

Bewertung von Docking Programmen

Re-und Crossdocking

Was sagt der RMSD-Wert aus?

Answer 14

• Nehme Kristallograpohische Ligand des Protein-Ligand Komplexes raus
• docke den Ligand, ohne Wissen des Bindemodus wieder rein ( beim Crossdocking anderer Ligand)
• Idealfall: Programm kann nativen Bindemodus reproduzieren und energetisch günstig bewerten, Vergleich

Bewertungskriterium: RMSD (Root-mean-square deviation)

• mittlerer Abstand zwischen identischen Atomen des Liganden in der Position in der Kristallstruktur mit denen im Docking (bis 2 ok)

Question 15

PERFORMANCE von Docking Programmen

Confusion Matrix

Fragestellung?

Answer 15

Ist mein Ligand ein Binder?Ja oder Nein?

Matrix: actual gegen predicted

versuche falsch posetive rate so klein wie mgl zu halten

Question 16

ROC-Kurven (Reciever Operater Characteristics)

Was wird aufgetragen?

Auswertung?

Answer 16

• Falsch posetiv rate (X-Achse) gegen True posetive rate (y)

Auswertung: ROC-AUC (Area under the curve)

Integral bestimmen (1- ideale Unterscheidung binder/non-Binder, wenn 0,5 praktisch Münzwurf)

Question 17

Enrichment factor

Konzept?

Formel?

Answer 17

Betrachte die Top 10%, 5% und 2% des DOCKING >wieviele Binder sind darin?

bsp. 100 binder und 900 decoys

20% der Binder in Top 2´% des Docking

EF 2%=(20 Binder/ 20 samples) / (100 [=gesamtanzahl binder] /1000[=Gesamtanzahl Samples]) =1/0,1=10

Question 18

Herausforderungen des Docking?

Answer 18

Erfolgsrate 1%-5%

• Solvatisierung der Bindetasche (Wassermoleküle)
• ignoranz der Proteinflexiblität
• sehr flexible Liganden zb bei Peptidomimetika
• Entropie (Komplexdynamik ist nicht berücksichtigt)
• evtl Änderung Protonierungszustände bei Ligandenbindungw

Question 19

Flexiblität von Liganden

Welche Methoden für Docking Programme gibt es?

Answer 19

• soft docking
• ensemble docking
• selective docking
• in-the-fly-docking

Question 20

Wie funktioniert soft docking?

Answer 20

• Ligand wird in die bindetasche gedockt
• Flexiblität der Bindetasche wird toleriert :
  
  • der als soft potential bezeichnete Bereich erlaubt mehr Überlappung der Van der waals Radien
  • clashes werden toleriert. betroffene AS machen dem Liganden etwas mehr Platz

Question 21

wie funktioniert ensemble docking?

Answer 21

• Verschiedene Konformationen des Proteins generiert
• verschiedene Orientierungen
• Docking wird an allen aussgewählten konformeren durchgeführt
• (linearer Anstieg der Berechnungsdauer)

Question 23

wie funktioniert selective docking?

Answer 23

• für AS Seitenketten werden verschiedene Rotamere berücksichtigt (=Rotamer-Library)
• zb. OH, Amine oder auch Loopregionen. die in verschiedenen Rotameren je nach Ligand und Ligandenkonfornationen orientiert sein können
• Suchraum wird größer
• >zusätzlichen Einflluss seitens des Proteins berechnen und Einfluss auf Bindepose einkalkulieren

Question 24

wie funktioniert on-the-fly docking?

Answer 24

• Target passt sich flexibel an Liganden an (induced fit)
• danach relaxation

Question 25

explizite Wassermoleküle

Welches Problem beim docken verursachen sie?

Answer 25

• Wasser in der Kristallstruktur
• sind teilweise in Bindetasche gut koordiniert und gebunden
• wirkt sich ungünstig auf DELTA H aus

Question 26

Implizitiertes Solvatisierung

Answer 26

• zugrunde liegendes Kontinuum
• Berechnung der Solvatisierung über polare Moleküloberfläche

Question 27

Expizierte Solvatisierung

was ist damit gemeint?

Answer 27

ein Wasssermaolekül in der Bindetasche verhält sich unterschiedlich zum Solvens in entropischer und enthalpischer Sicht:

• entropisch: in der Bindetasche ungünstger als im Solvens da Einschränkung FHGs
• enthalpisch: (in Abhängigkeit von KOORIDINATION).günstig, denn wenn Wasser aus hydrophober Bindetasche ins Solvens geht>Ausbildung H-Brückenbdg. (unhappy waters wollen vom liganden verdrängt werden)

Question 28

Drug Design OHNE Targetstruktur

Homologiemodellierung

Was ist das?

Answer 28

• gleiche Aminosäuresequenzen haben gleiche Sekundär- und Tertiärstruktur
• Definition: Technik ausgehend von der Primärsequenz der AS auf das Faltungsmotiv zu schließen anhand sequenzieller Ähnlichkeit

Question 29

Homologieemodellierung

Anforderungen an das Template?

Answer 29

mglst nahe an das Proteine of intrest, dh:

• hohe Sequenzidentiät und -ähnlichkeit (40%/60%)
• Identität: AS in geicher Positon
• Ähnlichkeit: ähnliche Seitenketten und ähnliche eigenschaften

Question 30

Liganden basiertes Drug Design (LBDD)

PHARMAKOPHORMODELLIERUNG

Pharmakophor

Def.?

pharmakophoric Descriptoren?

Answer 30

• sterische und elektronische Eigenschaften die für den biologischen Effekt verantwortlich sind
• pharmakophoric Decriptor: abstraktes Konzept der intermolekularen Interaktionseigenschaften die das Pharmakophor beschreiben
  
  • H-Brücken-Akzeptor/Donor
  • hydrophobe Eigenschaften
  • elektrostaische EIgenschaften
  • Ringsysteme

Question 31

Pharmakomokdellierung

Workflow?

Answer 31

• bekannte aktive Moleküle >Konformere >extrahiere pharmakor features (nur die die bei vielen auftreten)
• >mit diesen Features Pharmakorsuche von unbekannten Molekülen
• >>ok :erfüllt diese features>>neuer Ligand gefunden!! Validierung des pharmakor

Question 32

Rigridisierung von Liganden

Strategien zur Rigridisierung?

Einfluss bei Modellfindung?

Answer 32

• Verbindung über Makrozyklen
• Einbau von DB

Starres Konformer des Referenzliganden. Torsionswinkel ist Bestimmbar. Überträge pharmakorfeatures auf Liganden>Scoring

Question 33

Rezeptorbasierte Pharmakorsuche

Isoliere Pharmakorfeatures aus der Bindetasche

Wie fkt das?

Answer 33

Suche nach “ interaktion Hotspots §in der Bindetasche

H-Donor/Akzeptoren

oder Salzbrücken

>>Gridpoints

Suche mit Sonden(Probes)

Question 34

QSAR (quantative Struktur Wirkungsbeziehung)

Formel?

Answer 34

Φ = f(C)
Φ: biologische Aktivität; C: chemische Struktur

Question 35

QSAR

wie kann ich diese Datenmenenge zusammenfassen?

Answer 35

Reduktion des Datenraumes
• Transformation vieler korrelierter Variabeln in
wenige orthogonale Daten (transkriptoren)

• Identifikation der Dimensionalität (wieviele Transkriptoren) des Datensatzes
>Clustering

Question 36

3D-QSAR

Anwendung?

Answer 36

unähnliche Verbindungen

• Überlagerung einer chemischen ähnlichen Serie
• (Annahme des gleichen Bindungsmodus)
• wie wirkt das Molekül auf das Umfeld?
  
  • Comparative Molecular Field Analysis (COMFA):
  • Vergleich von Eigenschaftsfeldern von Molekülen, die durch ihre
    Wechselwirkung mit anderen Molekülen entstehen

Question 37

Hits 2 Lead

Leitstrukturoptimierung

Warum Optimierung?

Answer 37

• Unterscheidung Pharmakophor und „zusätzliche Haftgruppen“
• Agonist oder Antagonist?
• Lipophilie / Transport (ZNS)?
• Modifikation der Wirkform (Prodrugs)?
• Bioisosterer Austausch?
• Bioverfügbarkeit, Wirkdauer?

Question 38

Hits 2 Lead

Leistrukturoptimierung

Wie?

Answer 38

• Kombination funktionaler und Bindungsassays
• CADD
• Strukturbiologie
• Synthese

Zyklus: Design>Make>Test>Analyse

Question 39

Scaffold Hopping

Was ist das?

Was bezweckt man damit?

Answer 39

Austausch des Zentralen Grundgerüsts (primäres Pharmakophor)

• Lipophil > hydrophil > Löslichkeit (Membrangängigkeit)
• Metabolisch labile oder toxische Gruppen (z.B. Pyridin oder Imidazol binden an CYP) > stabilere und untoxische Gruppen
• Rigidisierung
• Höhere Affinität (wenn Grundgerüst auch Interaktionen ausbildet /
  ausbilden kann)
• Suche Neue patentierbare Struktur

Question 40

Scaffold Hopping

Wie ?

Answer 40

Kombination aus mehreren CADDs:

• welche ähnliche struktur haben ähnliche allgemeinform (shape matching)
• Pharmakophorsuche
  
  • oft beide kombiniert: Abbildung Bindetasche> zeigen der Forbidden volumes die nicht geändert werden sollen
• Teilfragmente ersetzen(Schnittstellen definieren, Datenbank nach passenden linker dursuchen)
• similiarity search (suche nach ähnlicher Struktur)