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J. Med. Chem. | 一种基于图表示学习的蛋白-配体相互作用打分方法InteractionGraphNet

本文介绍来自一篇浙江大学智能创新药物研究院侯廷军教授团队, 浙江大学计算机学院吴健教授团队,中南大学曹东升团队和腾讯量子实验室联合在药物化学领域权威期刊 Journal of Medicinal Chemistry发表的一篇文章。该文章提出一种新型的基于图表示学习的蛋白-小分子相互作用的打分方法InteractionGraphNet(IGN)。在IGN中,作者基于物理原理分别设计了独立的分子内图卷积和分之间图卷积模块来先后学习蛋白-配体复合物中的分子内相互作用和分子间相互作用,并将学习到的分子间相互作用应用于下游的任务预测, 包括蛋白-配体结合亲和力预测、大规模虚拟筛选以及小分子结合构象预测。实验结果表明,IGN模型的泛化性能均优于同类ML方法和分子对接程序。此外, 作者还用大量的实验表明IGN模型的优异性能并非是来自于学习数据集中的隐藏偏差,而是真正学习了蛋白-配体相互作用的一些关键特征。

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Brief. Bioinform. | 蛋白质-小分子复合物结合强度和配体结合姿态一体预测的深度学习框架

基于结构的药物设计中一项重要的任务是预测配体在靶体口袋中的结合姿态,然而当前已报道的打分函数通常受限于精度,或是局限于单一的输出,比如仅预测构象姿势的偏差(RMSD),结合强度(pKd)或是基于残基-原子间距离分布的统计势。本文介绍的是近期发表在国际知名生物信息学期刊《Briefings in Bioinformatics》上的一篇题为《A New Paradigm for Applying Deep Learning to Protein-Ligand Interaction Prediction》的研究论文。该论文提出了一种同时预测蛋白质-配体复合物结合强度及配体结合姿态偏差RMSD的打分框架IGModel。论文的第一作者是智峪生科助理研究员王泽琛(山东大学物理学院博士在读),共同通讯作者是郑良振博士(智峪生科-深圳先进院联合实验室)和李伟峰教授(山东大学物理学院)。

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JCIM | 使用片段链接预测网络设计PROTAC药物

今天为大家介绍的是来自Chu-Chung Lin团队的一篇关于药物设计的论文。药物发现和开发流程是一个漫长而复杂的过程,对于计算方法和药物化学家来说都具有挑战性,并且迄今为止无法通过计算方法解决。深度学习已在各个领域得到应用,并在制药行业的新药设计中取得了巨大成功。作者提出了一种名为AIMLinker的深度神经网络,以快速设计和生成具有意义的药物样蛋白酶靶向嵌合体(PROTACs)类似物。该模型从输入片段中提取结构信息并生成连接器以将它们结合起来。作者在模型中集成了过滤器,以排除通过蛋白质-蛋白质复合物引导的无法药用的结构,同时保留具有强大化学性质的分子。随后,通过分子对接,采用均方根偏差(RMSD)、相对吉布斯自由能(ΔΔGbinding)、分子动力学(MD)模拟和自由能扰动(FEP)计算作为测量标准,测试所提出模型的鲁棒性和可行性。所生成的新型PROTACs分子在与结合口袋相比,具有类似的结构信息且具有更高的结合亲和力,相较于现有的CRBN-dBET6-BRD4三元复合物。作者展示了利用AIMLinker设计PROTACs分子的方法的有效性,这些分子在化学性质上优于dBET6晶体构象。

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「文献」张保亭教授在“Advanced Science”发表靶向非编码核酸miRNA靶点的天然产物虚拟筛选新策略

张保亭教授(香港中文大学)介绍:非编码核酸miRNA是真核生物中广泛存在的一种长约21到23个核苷酸的核糖核酸(RNA)分子,可以调节基因的表达。 miRNA从DNA转录而来,是一种无法进一步转译成蛋白质的RNA。miRNA能够通过与特定的靶mRNA相互作用,同时引导AGO蛋白来抑制甚或降解靶mRNA,从而干扰和阻断相应的靶蛋白的翻译。大量研究证实miRNA在许多病理生理过程中发挥重要的贡献作用。常用的药物虚拟筛选策略都是基于蛋白的三维结构设计的计算模型,由于miRNA的柔性太大,目前缺乏针对miRNA的药物虚拟筛选模型,导致近年以来大量被发现参与疾病分子机制的非编码核酸miRNA靶点无法实现向药物发现转化。

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Nat.Commun. | DynamicBind:基于几何深度学习的动态复合物结构预测模型

基于AlphaFold2的静态蛋白结构预测方法已经接近实验精度,为结构生物领域带来了巨大的影响。然而,在药物开发中,靶蛋白的功能性运动非常关键,它会对药物的活性产生影响,而目前的算法模型无法捕捉到大分子的功能构象动态变化过程。近日,上海交通大学郑双佳课题组与星药科技研究团队,美国莱斯大学Peter G. Wolynes联合团队在《Nature Communications》发表题为“DynamicBind: predicting ligand-specific protein-ligand complex structure with a deep equivariant generative model”的研究论文。该论文提出的新方法DynamicBind可基于AF2预测的初始非结合构象,生成与对应输入药物分子相匹配的蛋白结合构象及转化过程,并在计算过程中自动寻找口袋位置,让对接中发现隐藏口袋成为可能。该研究对于蛋白质功能机制的理解以及难成药靶点的药物筛选具有重要意义,为后AlphaFold时代的药物研发提供了一种基于深度学习的,考虑蛋白动态变化的新范式。

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Nat. Mach. Intell. | “数据+知识+AI” 解锁新靶标药物虚拟筛选

精准的评估蛋白质-配体相互作用对药物发现至关重要。然而,开发可靠的评估方法一直是学术界和工业界的长期挑战。近年来,人工智能技术在该领域已经取得了显著进展,以AlphaFold为代表的深度学习方法在蛋白质三维结构,蛋白质-配体复合物结构预测方面表现卓越。但是,在新靶标的药物虚拟筛选场景中,高精度的活性预测评分方法仍然非常匮乏。许多研究表明,深度学习模型倾向学习数据中的分布偏差,对分布内的数据可以给出很好的性能指标。但在实际应用中,尤其面对训练集未见的新靶标和化学多样性空间,却无法展现出良好的泛化效果。

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Alphafold 3 这么牛,如何使用,一文 get! | MedChemExpress(MCE)

Alphafold 3,一种新的革命性的人工智能 (AI) 模型,将以前所未有的准确性预测包含更广泛的生物分子,包括配体、离子、核酸和修饰残基的复合物的结构。与现有预测方法相比,Alphafold3 预测蛋白与其他生物分子相互作用的准确性有至少 50% 的提升,对于某些重要的相互作用类别,预测准确度甚至翻了一番。Alphafold3 架构Alphafold3 是通过对 AlphaFold 2 架构和训练过程的重大演进实现的,既适应更一般的化学结构,又提高了学习数据的效率。该系统通过用更简单的 Pairformer 模块替换 AlphaFold 2 的 Evoformer 来减少多序列比对(MSA)处理的数量。此外,它通过使用扩散模块直接预测原子坐标,取代了 AlphaFold 2 中作用于氨基酸特定框架和侧链扭转角的结构模块。扩散过程的多尺度性质(低噪声水平促使网络改善局部结构)还使我们能够消除立体化学损失,并且在网络中大部分特殊处理键合模式,轻松适应任意化学组分。

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中国药科大学周建平/丁杨团队AS:仿生脂质纳米复合物组装体实现“药物-载体”协同清除Aβ和抑制Tau蛋白磷酸化治疗

阿尔兹海默症(AD)是最常见的中枢神经系统退行性疾病,全球AD患者人数超5000万,是亟待解决的社会问题和医学难题。然而,AD临床治疗却面临巨大瓶颈,现有药物主要包括多奈哌齐、加兰他敏、美金刚、卡巴拉汀等,仅能在一定程度上缓解症状,无法延缓甚至逆转病程。新药研发面临近100%的超高失败率,其主要原因在于复杂的病变机制和血脑屏障(BBB)限制药物入脑。β淀粉样蛋白(Aβ)沉积和Tau蛋白过度磷酸化是AD病变的两大主要诱因,其通过相互促进加速AD病程;近年来针对Aβ或Tau的单靶点新药研发接连折戟。因此,Aβ清除和Tau磷酸化抑制的协同治疗策略可能是战胜AD的有效方法。

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Nat. Comput. Sci.|KarmaDock:针对超大规模虚拟筛选的基于深度学习的分子对接方法

本文介绍一篇来自浙江大学侯廷军教授、谢昌谕教授、潘培辰研究员和之江实验室陈广勇研究员团队联合发表的关于分子对接方法的论文。该文章提出了一种基于深度学习的分子对接模型,KarmaDock,可以快速且准确的预测蛋白配体结合构象及其结合强度。该方法通过混合密度函数学习蛋白配体间最优距离分布用于结合强度打分,并将其作为归纳偏置,利用融合自注意力机制的EGNN模型来迭代更新分子坐标从而预测蛋白配体间结合构象。KarmaDock跳过了传统分子对接软件的构象搜索阶段,极大提升了分子对接的速度(0.017 s/complex),适用于超大规模的虚拟筛选。

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KDD2021 | 用于预测蛋白质-配体结合亲和力的图神经网络

本文介绍由中国科学技术大学和百度商业智能实验室等机构的研究人员合作发表于KDD 2021的研究成果:作者提出了一个基于图神经网络的模型SIGN(structure-aware interactive graph neural network),通过利用原子间的细粒度结构和相互作用信息来学习蛋白质-配体复合物的表征,从而更好地进行结合亲和力预测。SIGN由两部分组成:极坐标启发的图注意力层(PGAL)和成对相互作用池化(PiPool)。PGAL用来整合原子之间的距离和角度信息,进行三维空间结构建模。PiPool用来将蛋白质和配体之间的远程相互作用纳入模型中。在两个基准上的实验结果验证了SIGN的优越性。

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Drug Discov. Today | 从计算机辅助药物发现到计算机驱动的药物发现

计算化学和基于结构的设计历来被认为是可以帮助加速药物发现过程的工具,但通常不被认为是小分子药物发现的驱动力。过去的十年中,该领域取得了巨大的进步,包括(1)开发基于物理学的计算方法,以准确预测从效力到溶解度的各种终点;(2)人工智能和深度学习方法的改进;(3)随着GPU和云计算的出现,计算能力大幅提高,从而有能力探索和准确描述计算中大量的类药化学空间。结构生物学同时也取得了进展,如低温电子显微镜(cryo-EM)和计算蛋白质结构预测,使人们能够获得更多高分辨率的新型药物-受体复合物的三维结构。这些突破的汇合使结构化的计算方法成为发现新型小分子治疗方法的驱动力。2021 年 8 月 30 日发表在《Drug Discovery Today》的综述“From computer-aided drug discovery to computer-driven drug discovery”进行了阐述。

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Nat. Rev. Drug. Discov. | 以小分子靶向RNA结构

今天为大家介绍的是来Robert T. Batey 和Matthew D. Disney的一篇关于靶向RNA小分子的论文。RNA在人类生物学中是3D形态,赋予不同的功能角色,并在疾病中导致功能障碍。目前正在积极追求利用小分子治疗性地靶向RNA结构的方法,其中包括预测进化保守的RNA结构的计算工具的发展,以及扩展作用方式并促进与细胞机制的相互作用的策略。现有的RNA靶向小分子使用一系列机制,包括通过与细胞蛋白作为分子黏合剂来定向剪接,抑制难以药物化的蛋白质的翻译和停用非编码RNA中的功能结构。在这里,作者描述了识别、验证和优化靶向功能转录组的小分子的策略,为将这些药物推进到未来十年制定了路线图。

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