Understanding Docking Complexes of Macromolecules Using HADDOCK: The Synergy between Experimental Data and Computations
Andrea Saponaro, Vincenzo Maione, Alexandre M. J. J. Bonvin, Francesca Cantini
Abstract
This protocol illustrates the modelling of a protein-peptide complex using the synergic combination of in silico analysis and experimental results. To this end, we use the integrative modelling software HADDOCK, which possesses the powerful ability to incorporate experimental data, such as NMR Chemical Shift Perturbations and biochemical protein-peptide interaction data, as restraints to guide the docking process. Based on the modelling results, a rational mutagenesis approach is used to validate the generated models. The experimental results allow to select a final structural model best representing the bona fide protein-peptide complex. The described protocol can also be applied to model protein-protein complexes. There is no size limit for the macromolecular complexes that can be characterized by HADDOCK as long as the 3D structures of the individual components are available., [摘要] 该方案说明了蛋白质-肽复合物的建模，该模型使用了硅内分析和实验结果的协同组合。为此，我们使用集成建模软件HADDOCK，该软件具有强大的整合实验数据（如NMR化学位移扰动和生化蛋白-肽相互作用数据）作为约束来指导对接过程。根据模拟结果，采用合理的诱变方法对所建立的模型进行验证。实验结果有助于选择最能代表真实蛋白质肽复合物的最终结构模型。所述方法也可用于蛋白质复合物模型。对于可以用黑线鳕表征的大分子复合物，只要单个组分的三维结构可用，就没有尺寸限制。 [背景] 在大多数情况下，蛋白质的功能不是单分子，而是通过与各种其他生物分子相互作用而成为网络的一部分。因此，在原子水平上对它们形成的大分子复合物的描述，是在生理和/或病理生理过程基础上理解分子机制的一个重要里程碑，也是合理设计药理相关药物的一个重要里程碑。我们最近从三维核磁共振（NMR）中推导出的蛋白质三维结构的计算方法。所描述的方案可以克服实验方法的一些限制，例如，蛋白质伴侣的低结合亲和力。事实上，许多大分子间的相互作用在生理条件下往往很弱，因为它们介导了短暂的/高度动态的过程。蛋白质样品也可能存在固有的限制，这就排除了使用一种或多种实验方法。在这种情况下，计算方法提供了有价值的替代方法，为在原子水平上描述生理相关大分子复合物（Saponaro等人，2018）和相互作用诱导的伴随构象重排（Weißgraeber et al.，2017，Großet al.，2018；Porro et al.，2019），否则，传统的结构生物学方法难以理解。在用于模拟大分子复合物的对接软件中，HADDOCK是一个集成的建模平台，它具有强大的优势，能够将实验数据直接应用到对接过程中来指导计算（Dominguez等人，2003）。实际上，HADDOCK是专门设计为一个数据驱动的对接程序，尽管它有两种从头开始的对接模式，以应对没有可用信息的情况。黑线鳕的对接计算是由不明确的交互约束（AIRs）驱动的。这些数据来源于实验和/或生物信息学数据，并整合到对接计算中，以限制构象搜索空间（Dominguez等人，2003年），并满足蛋白质-蛋白质相互作用的先验信息。air是通过一系列残留物来定义的，这些残留物分为两类：主动和被动。活性残基被定义为直接参与两种蛋白质之间相互作用的溶剂暴露残基（通常根据现有的实验数据定义）。被动残基与溶剂暴露残基相对应，与活性残基相近。被动残基的引入是为了解释实验数据的稀缺性和不能完全覆盖真实的结合界面这一事实。这两类残基的主要区别在于，活性残基是“被迫”在界面上的，而“被动”残基可以在界面上，但如果不是，则不受惩罚。图1显示了突出显示HADDOCK停靠程序的主要步骤的流程图。这个过程包括三个连续的阶段，每个阶段都有一个特定的目标：1） 刚体能量最小化初始对接（it0）在这个初始对接阶段，相互作用的分子被视为刚体。它们在空间中分开，并在每次对接试验中随机旋转。对接步骤是一个刚体能量最小化过程，在此过程中，根据实验数据，将AIRs包含在能量函数中，以限制构象空间的采样，指导对接。2） 扭转角空间半柔性模拟退火（it1）这是一个细化阶段，在此阶段，柔性逐步引入，首先沿着侧链，然后沿着两侧的侧链和界面残留物的主链。根据它们与伴侣分子的接近程度，它们被自动定义为每个模型。柔性细化协议基于扭角分子动力学模拟退火。3） 显式溶剂（水）中的最终精制在最后的精制阶段，配合物通常被溶剂化在一层水里，并在笛卡尔空间中受到短暂的分子动力学约束。最终的解决方案是集群的，并根据其前4个成员的平均得分（4是定义集群所需的最小模型数）对其进行排名。 图1。黑线鳕协议流程图 默认情况下，黑线鳕在每次对接试验中随机丢弃一个百分比（50%）的AIR，以解释数据中可能出现的误报。废弃空气的百分比可以关闭，甚至增加。后一种选择通常在生物信息学接口预测数据衍生的AIRs中执行。该协议旨在详细描述在实验数据指导下使用黑线鳕生成蛋白质-肽复合物三维模型结构的过程。我们通过模拟与TRIP8bnano肽结合的超极化激活环核苷酸门控（HCN）通道的环核苷酸结合域（CNBD）形成的复合物的结构来说明该方案。该肽代表脑蛋白TRIP8b的最小部分，TRIP8b是HCN通道的调节亚单位，与HCN CNBD结合（Saponaro等人，2018年）。溶液核磁共振数据用于指导建模，然后根据合理的诱变/生化分析验证得到的模型。