DE102005061270A1

DE102005061270A1 - Screening-Verfahren

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Publication number: DE102005061270A1
Application number: DE102005061270A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr.rer.nat. Lemmen; Matthias Prof.Dr.rer.nat. Rarey; Ingo Schellhammer
Original assignee: BIOSOLVELT GmbH; Universitaet Hamburg
Current assignee: BIOSOLVELT GmbH; Universitaet Hamburg
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-06-28
Also published as: WO2007071411A2; EP1966733A2; WO2007071411A3; US20090306902A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Struktur-basierenden virtuellen Screening beschrieben, das sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass zu durchsuchende Verbindungen auf der Grundlage ihrer physikochemischen und/oder geometrischen und/oder strukturellen Eigenschaften in einem Katalog kategorisiert bzw. sortiert werden, dass die physikochemischen und/oder geometrischen und/oder strukturellen Eigenschaften eines Targets ermittelt werden, dass der oder die Teile des Katalogs bestimmt werden, die zu den ermittelten Eigenschaften des Targets passen, und dass nur die Verbindungen in diesen Teilen des Katalogs gegen das Target gescreent werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klasse von Verfahren zum struktur-basierenden virtuellen Screening mittels Datenbank-Techniken, und insbesondere ein sublineares struktur-basierendes Verfahren zum Suchen nach bioaktiven Verbindungen mit Hilfe von relationalen Datenbanken mittels indizierbarer Moleküldeskriptoren.

Mit virtuellem Screening wird im Allgemeinen die Aufgabe beschrieben, kleine organische Moleküle (Verbindungen) nach solchen mit biologischer Aktivität gegen ein spezifisches biologisches Target zu durchsuchen. Ein biologisches Target ist dabei ein Protein, und die biologische Aktivität besteht darin, dieses durch die Anlagerung der Verbindung zu hemmen oder zu aktivieren. Diese Art des Screening wird als virtuell bezeichnet, wenn sie eine maschinenlesbare Beschreibung der Verbindungen und des Targets benutzt und zur automatischen computergestützten Durchführung geeignet ist. Dabei kommt der exakten Beschreibung des Ortes der Anlagerung (Bindungsstelle) besondere Bedeutung zu. Die Anlagerung erfolgt mit einer spezifischen Affinität (auch Bindungsaffinität). Bei den Verbindungen handelt es sich häufig um hoch flexible Moleküle, die eine Vielzahl verschiedener Gestalten (Konformationen) annehmen können. Die Verbindungen werden in Form von Molekül-Graphen mit Atomen und Bindungen und ggf. weiteren Moleküleigenschaften repräsentiert. Maschinenlesbare Beschreibungen, die die chemischen Eigenschaften eines Moleküls charakterisieren, bezeichnet man auch als Molekül-Deskriptor.

Große Mengen derartiger Beschreibungen werden auch virtuelle Bibliothek (kurz Bibliothek) genannt.

Die Beschreibung des Targets (Target-Deskriptor) besteht entweder aus der dreidimensionalen Struktur des Proteins, der dreidimensionalen Struktur von mindestens einer biologisch aktiven Verbindung oder sonstigen dreidimensionalen Beschreibungen von für die biologische Aktivität relevanten Eigenschaften. Wenn eine dreidimensionale Struktur des Targets verfügbar ist, spricht man von struktur-basierendem virtuellem Screening. Die Beschreibungen von Verbindungen und Target werden im Allgemeinen in Dateien im ASCII Format gespeichert.

Es sind drei Klassen von Verfahren zum virtuellen Screening bekannt:
Dies sind zum einen dreidimensionale ähnlichkeitsbasierte Suchverfahren, mit denen eine Menge von biologisch aktiven Verbindungen auf gemeinsame physikochemische und strukturelle Eigenschaften (häufig auch Pharmacophor genannt) analysiert wird. Diese Art der Beschreibung des Targets wird verwendet, um in einer Bibliothek Verbindungen mit ähnlichen Eigenschaften zu finden.

Eine weitere Klasse beinhaltet Alignment-basierte Suchverfahren. Bei diesen dienen eine oder mehrere dreidimensionale Strukturen von biologisch aktiven Verbindungen als Negativabdruck der Bindestelle. Mit dieser/diesen Strukturen werden die Verbindungen der Bibliothek überlagert (aligniert) und nach der Ähnlichkeit bezüglich ihrer physikochemischen und strukturellen Eigenschaften mit dieser Beschreibung des Targets bewertet.

Schließlich gibt es die so genannten Docking-Verfahren, für die ein dreidimensionales Modell der Bindungsstelle des Targets benötigt wird. Die Verbindungen werden hierbei auf der Grundlage der Komplementarität bezüglich ihrer physikochemischen und strukturellen Eigenschaften mit dieser Beschreibung des Targets bewertet.

Die technischen Probleme und Nachteile aller zuvor beschriebener Verfahren bestehen zum einen in ihrer eingeschränkten Genauigkeit bei der jeweiligen Berechnung, zum anderen darin, dass sie zum virtuellen Screening von Bibliotheken in kurzer Zeit und mit einer hohen Genauigkeit nicht oder nur eingeschränkt geeignet sind. Insbesondere die Alignment- und Docking-basierten Verfahren erfordern einen sehr hohen Rechenaufwand. Eine gründliche Untersuchung des Suchraums erfordert Rotationen und Translationen aller Konformationen der Verbindung und einen Vergleich mit dem Target. Je gründlicher mit einem Verfahren dieser Suchraum untersucht wird, desto genauer können die Geometrie der Anlagerung und die Bindungsaffinität bewertet werden.

Es sind bereits zahlreiche Werkzeuge zum virtuellen Screening bekannt. Man kann verschiedene Screening-Strategien unterscheiden. Dabei bezeichnet eine Screening-Strategie eine Vorschrift zur Anwendung eines Verfahrens oder von Kombinationen aus mehreren Verfahren der oben genannten Klassen, ggf. gekoppelt mit weiteren bekannten algorithmischen Methoden zum Zwecke des virtuellen Screening großer Bibliotheken. Mittels einer Bewertung wird dabei eine Rangordnung nach potentieller Bindungsaffinität erstellt.

Prinzipiell zu unterscheiden sind dabei sequentielle, hierarchische und Filter-basierte Screening-Strategien. Sequentielle Strategien unterziehen jede Verbindung einer Bibliothek derselben Routine, bestehend aus einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren. Hierarchische Strategien hingegen gruppieren die Verbindungen einer Bibliothek zunächst und unterziehen nur einen Teil einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren. Schließlich gibt es noch die Filter-basierten Strategien, welche mehrere Verfahren zum virtuellen Screening nacheinander zum Einsatz bringen. Dabei werden zunächst einfache und schnelle Verfahren auf alle Verbindungen einer Bibliothek angewandt und nur ein Teil der Verbindungen, mit höherem Potential den nachfolgenden aufwändigeren Verfahren unterzogen.

In Lemmen, C.; Lengauer, T.: "Computational methods for the structural alignment of molecules", J Comput Aided Mol Des 2000, 14, 215–232, wird ein Überblick über Alignment- und Ähnlichkeits-basierte Verfahren gegeben. Auch wenn bei diesen Ansätzen jeweils verschiedene Darstellungen der Verbindungen und Vergleichsalgorithmen verwendet werden, gehört die überwiegende Mehrzahl zu den sequentiellen und Filter-basierten Strategien.

In folgenden Druckschriften sind eine Anzahl von Werkzeugen zum molekularen Docking zusammengefasst, die in zahlreichen virtuellen Screening-Projekten verwendet werden: Brooijmans, N.; Kuntz, I. D. "Molecular recognition and docking algorithms", Annu Rev Biophys Biomol Struct 2003, 32, 335–373; algorithms", Annu Rev Biophys Biomol Struct 2003, 32, 335–373; Bursulaya, B. D.; Totrov, M.; Abagyan, R.; Brooks, C. L., "3rd Comparative study of several algorithms for flexible ligand docking", J Comput Aided Mol Des 2003, 17, 755–763; Kellenberger, E.; Rodrigo, J.; Muller, P.; Rognan, D. "Comparative evaluation of eight docking tools for docking and virtual screening accuracy", Proteins 2004, 57, 225–242; und Kitchen, D. B.; Decornez, H.; Furr, J. R.; Bajorath, J. "Docking and scoring in virtual screening for drug discovery: methods and applications", Nat Rev Drug Discov 2004, 3, 935–949. Die Mehrzahl dieser Ansätze gehören ebenfalls zu den sequentiellen Strategien.

Zu den hierarchischen Strategien zählt die Gruppierung der Verbindungen einer Bibliothek in Cluster mit ähnlichen Verbindungen. Dem Screening-Verfahren wird dann nur ein Repräsentant aller Cluster unterzogen. Zeigt dabei ein Repräsentant hohes Potential, werden alle Verbindungen des Clusters dem Verfahren unterzogen.

Cluster-Verfahren und Klassifizierungs-Verfahren sind alternative Verfahren zur Gruppierung von Verbindungen. Während Cluster-Verfahren einen paarweisen Vergleich aller Verbindungen mit nachfolgender Aggregation von ähnlichen Verbindungen beinhalten, nutzen Klassifizierungs-Verfahren physikochemische, topologische oder strukturelle Eigenschaften, um Verbindungen in vor-spezifizierte Kategorien einzuteilen (siehe van Drie, J. H.; Lajiness, M. S. "Approaches to virtual library design", Drug Discov Today 1998, 3, 274–283).

In: Joseph-McCarthy, D.; Thomas IV, B. E.; Belmarsh, M.; Moustakas, D.; Alvarez, J. C. "Pharmacophore-Based Molecular Docking to Account for Ligand Flexibility", Proteins 2003, 51, 172–188 und Su, A. I.; Lorber, D. M.; Weston, G. S.; Baase, W. A.; Matthews, B. W. et al. "Docking molecules by families to increase the diversity of hits in database screens: computational strategy and experimental evaluation", Proteins 2001, 42, 279–293, wird eine weitere hierarchische Strategie beschrieben. Zunächst werden die Verbindungen einer Bibliothek vorverarbeitet und in Gruppen mit ähnlichen Verbindungen eingeteilt. Dann wird ein Repräsentant jedes Clusters einem Docking-Verfahren unterzogen. Bekommt dabei ein Repräsentant eine gute Bewertung, werden alle Verbindungen des Clusters gedockt.

Floriano, W. B.; Vaidehi, N.; Zamanakos, G.; Goddard III, W. A. "HierVLS, Hierarchical Docking Protocol for Virtual Ligand Screening of Large-Molecule Databases", J Med Chem 2004, 47, 56–71, beschreiben eine Filter-basierte Screening-Strategie. Die für die ersten Schritte verwendeten Verfahren sind dabei sehr schnell, jedoch relativ ungenau. Die Verbindungen, die den ersten Satz von Filtern passieren, werden dann genaueren, jedoch langsameren Docking-Verfahren unterworfen.

In der EP 0 633 534 wird ein sequentielles Docking-Verfahren beschrieben, bei dem im Wesentlichen auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen den Abständen von Wasserstoffbindungen an der Verbindung und von Wasserstoffbindungen von Pseudo-Atomen an der Bindungsstelle eines Rezeptors die Verbindungen an der Bindungsstelle des Rezeptors angeordnet werden.

In der US 6,727,100 wird im Wesentlichen der Ansatz einer Abbildung von Verbindungen auf einem zweidimensionalen Gitter mittels eines Molekül-Deskriptors in der Weise verfolgt, dass der Abstand der Gitterpunkte den Grad der Ähnlichkeit der entsprechenden Verbindungen darstellt. Weiterhin wird jedem Gitterpunkt eine fiktive Affinität zuordnet, eine dreidimensionale Fläche über den fiktiven Affinitäten jedes Gitterpunktes gebildet, und es werden dann auf der Grundlage der Flächen die Verbindungen mit hohen fiktiven Affinitäten ausgewählt.

Ein wesentlicher Nachteil der oben erläuterten Verfahren besteht darin, dass sämtliche Verbindungen (bzw. die Repräsentanten aller Cluster) nacheinander verarbeitet werden müssen und somit eine linear mit der Anzahl von Verbindungen in der Bibliothek ansteigende Laufzeit benötigen.

Darüberhinaus stellen die meisten Molekül-Beschreibungen strukturelle Eigenschaften, insbesondere Atomkoordinaten und Vorzugsrichtungen in Bezug auf bestimmte nicht-kovalente Bindungen zwischen Verbindung und dem Target (so ge nannte intramolekulare Wechselwirkungen, hier z. B. Wasserstoffbrücken oder Interaktionen der Pi-Orbitale) dar. Eine solche Darstellung erfordert rechnerisch sehr aufwändige Rotationen und Translationen einer Verbindung innerhalb der Bindungsstelle, um das strukturelle bzw. richtungsabhängige Zusammenpassen mit dem Rezeptor zu bewerten.

Eine Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, besteht deshalb darin, ein struktur-basierendes virtuelles Screening-Verfahren zu schaffen, dessen mittlere Laufzeit pro Verbindung deutlich geringer ist als bei den bekannten Verfahren.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Screening-Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird demnach ein Datenbank-gestütztes virtuelles Screening-Verfahren geschaffen, mit dem die Verbindungen in einer Bibliothek einer Datenbank auf der Grundlage ihrer physikochemischen und/oder strukturellen Eigenschaften in einem Katalog kategorisiert und sortiert werden. Weiterhin werden die korrespondierenden Eigenschaften eines Targets verwendet, um nach passenden Verbindungen in der Datenbank zu suchen.

Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Verbindungen in den Teilen des Katalogs, die nicht zu den Target-Eigenschaften passen, überhaupt nicht mit dem Target verglichen und somit auch nicht verarbeitet werden müssen. Dies hat zur Folge, dass die Laufzeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich verkürzt werden kann. Im Vergleich dazu müssen bei den sequentiellen und Filter-basierten Strategien alle Verbindungen und selbst bei den hierarchischen Strategien Repräsentanten aller Cluster von Verbindungen verarbeitet werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der verwendeten Beschreibungsform für Verbindungen und Target. Sowohl der Molekül-Deskriptor als auch der Target-Deskriptor beschreiben physikochemische und strukturelle Eigenschaften in einer Form, in der die Komplementarität einer Verbindung mit dem Target bewertet werden kann, ohne dass eine Optimierung von Rotation, Translation und Konformation der Verbindung erforderlich ist. Dieser Vorteil ermöglicht den Einsatz relationaler Datenbank-Technologien, mit denen die Effizienz und Skalierbarkeit des virtuellen Screenings erheblich gesteigert werden kann.

Ein bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht schließlich auch darin, dass es nicht nur dann anwendbar ist, wenn die dreidimensionale Struktur der Bindungsstelle bekannt ist, sondern in einfacher Weise erweitert werden kann, so dass es auch anwendbar ist, wenn das Target auf Basis von biologisch aktiven Verbindungen definiert ist.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zum Inhalt.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird vorzugsweise mindestens ein Deskriptor definiert, der sowohl zur Darstellung der physikochemischen und strukturellen Eigenschaften von flexiblen Verbindungen (Molekül-Deskriptor), als auch zur Formulierung der Eigenschaften des Targets (Target-Deskriptor) in einem Format geeignet ist, das zur Datenbank-Abfrage verwendet werden kann.

Eine wesentliche Eigenschaft des Deskriptors besteht darin, dass er sowohl die strukturellen Eigenschaften der Verbindungen als auch des Targets unabhängig von einem (globalen) Koordinatensystem beschreibt. Auf diese Weise können die physikochemischen und strukturellen Eigenschaften von Verbindungen und Target ohne Rotation und Translation direkt miteinander verglichen werden.

Vorzugsweise wird darüberhinaus durch die Aufnahme von richtungsabhängigen Bedingungen die Selektivität des Target-Deskriptors erhöht und damit die Anzahl von falschen Treffern beim Nachschlagen im Index der Molekül-Deskriptoren vermindert.

Diese Merkmale führen insgesamt dazu, dass die Laufzeit des struktur-basierenden virtuellen Screening-Verfahrens um einige Größenordnungen reduziert und gleich zeitig die Genauigkeit auf einem mit anderen Ansätzen vergleichbarem Wert gehalten werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten und beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung wesentlicher Schritte des Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung der Berechnung von Molekül-Deskriptoren für Verbindungen;
3 eine schematische Darstellungen der Berechnung von Target-Deskriptoren für das Target (hier in Form einer Bindestelle); und
4 eine schematische Darstellung einer Datenbank-Struktur zur Durchführung des Verfahrens.
Die nachfolgend erläuterte Ausführungsform beruht auf einer Target-orientierten und Katalog-basierten Screening-Strategie. Damit werden die physikochemischen und strukturellen Eigenschaften des Targets analysiert und durch einen oder eine Mehrzahl von Target-Deskriptoren beschrieben, mit denen Eigenschaften und Bedingungen in verschiedenen geometrischen Bereichen des Targets kodiert sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jeder dieser Target-Deskriptoren verwendet, um in der Datenbank bzw. dem Katalog nach Verbindungen zu suchen, die mit den Eigenschaften und Bedingungen des Target-Deskriptors übereinstimmen. Die Verbindungen sind dabei in einem Katalog entsprechend ihrer physikochemischen und/oder geometrischen und/oder strukturellen Eigenschaften so angeordnet bzw. kategorisiert, dass nur solche Verbindungen bei einer Suche bearbeitet werden müssen, die sich in passenden Kategorien des Katalogs befinden.
Bevorzugt werden indizierbare Deskriptoren verwendet, die auch richtungsabhängige Bedingungen oder Vorzugsrichtungen für intermolekulare Wechselwirkungen beinhalten. Insbesondere wird ein Deskriptor verwendet, mit dem physikochemische und/oder geometrische und/oder strukturelle Eigenschaften von Triplets von an intermolekularen Wechselwirkungen beteiligten Atomen oder Atom-Gruppen (funktionalen Gruppen) sowie die Molekülform in der Umgebung der beteiligten Atome sowohl der Verbindung als auch des Targets kodiert sind. In dem indizierbaren Deskriptor sind somit zusätzlich zu funktionalen Gruppen, deren Typen (basierend auf einer üblichen Kategorisierung der Wechselwirkungen), Abständen zwischen Paaren von funktionalen Gruppen auch deren Vorzugsrichtungen kodiert. Indizierbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Deskriptoren nach mehreren der oben genannten Eigenschaftswerte sortiert werden können, so dass sie für effiziente Suchverfahren mit standardisierten Index-Strukturen wie B-Bäume verwaltet werden können.
Erfindungsgemäß werden die Vorzugsrichtungen einer funktionalen Gruppe in einem Triplet von funktionalen Gruppen durch Zentrierung eines lokalen Koordinatensystems in der funktionalen Gruppe und Ausrichtung des Koordinatensystems in Bezug auf die anderen funktionalen Gruppen des Triplets beschrieben. Die Vorzugsrichtung einer funktionalen Gruppe wird dabei relativ zum Koordinatensystem, beispielsweise durch Euler-Winkel in Bezug auf die Achsen des lokalen Koordinatensystems beschrieben.
Ein Punkt, der zu einer wesentlichen Beschleunigung des erfindungsgemäßen Verfahrens beiträgt, ist die Anwendung einer relationalen Datenbank-Technologie zum Speichern und Nachschlagen bzw. Suchen der Molekül-Deskriptoren. Bevorzugt werden deshalb alle Daten der Verbindungen in den Tabellen eines relationalen Datenbank-Systems gespeichert. Weiterhin werden zum Nachschlagen bzw. Suchen von Molekül-Deskriptoren, die die durch das Target definierten Abfragebedingungen (formuliert durch einen Satz von Target-Deskriptoren) erfüllen, Datenbank-Abfragen auf der Basis von Standard-Indizes für relationale Datenbanken verwendet.
Während die Typen der funktionalen Gruppen des Targets und einer passenden Verbindung kompatibel zueinander sein müssen (z.B. passen Donatorgruppen von Wasserstoffbindungen nur mit Akzeptorgruppen von Wasserstoffbindungen zu sammen), werden erfindungsgemäß Bereiche für die Seitenlängen von Dreiecken und Euler-Winkeln definiert, innerhalb derer die Eigenschaften eines Molekül-Deskriptors als kompatibel zu den Bedingungen eines Target-Deskriptors angesehen werden. Folglich muss die Indexierung der relationalen Datenbank Bereichsabfragen unterstützen.
Im Folgenden soll zunächst der Gesamt-Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der 1 erläutert werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die dreidimensionale Struktur der Bindungsstelle des Targets verfügbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch in einfacher Weise auch verwendet werden, wenn das Target auf Basis von biologisch aktiven Verbindungen definiert ist.
In einem ersten, zu Beginn des Verfahrens einmal durchzuführenden Vor-Verarbeitungsschritt (1) werden die Verbindungen V zunächst in kleinere Bruchstücke oder Fragmente zerlegt, und alle Fragmente werden bezüglich ihrer Konformationen untersucht bzw. abgetastet. Dabei werden funktionale Gruppen in den Verbindungen und den Fragmenten identifiziert, die als Wechselwirkungszentren der Verbindungen (CIACs – compound interaction centers) bzw. Wechselwirkungszentren der Fragmente (FIACs – fragment interaction centers) bezeichnet werden. Wahlweise kann die Fragmentierung entfallen, so dass nur vollständige Verbindungen in analoger Weise betrachtet werden.
Triplets von solchen FIACs bilden ein Fragment-Wechselwirkungsdreieck für jedes Fragment-Konformer. Die Fragment-Wechselwirkungsdreiecke von einem oder mehreren möglichen FIAC-Tripletts kodieren die physikochemischen und strukturellen Merkmale eines Fragment-Konformers unter Verwendung des erfindungsgemäßen Molekül-Deskriptors.
Die Daten der Verbindung, die Daten der Fragmente und die Molekül-Deskriptoren der Fragment-Wechselwirkungsdreiecke werden gemäß 1 in eine Datenbank DB für die Verbindungen geschrieben und mit einem B-Baum organisiert, der die FIAC-Typen, die paarweisen FIAC-Abstände und die FIAC-Richtungen oder jedes Fragment-Wechselwirkungsdreieck indiziert.
In einem zweiten Schritt (2) werden günstige oder vorteilhafte Wechselwirkungszentren der Positionen oder Stellen (SIACs – site interaction centers) für funktionale Gruppen von Verbindungen an den Bindungsstellen des Rezeptors bzw. Targets T gesucht. Triplets von solchen SIACs definieren einen Satz von Wechselwirkungsdreiecken für Positionen oder Stellen (die Struktur des Rezeptors wird als fest angenommen). Die Target-Deskriptoren dieser Positions-Wechselwirkungsdreiecke kodieren die erforderlichen FIAC-Typen, die paarweisen FIAC-Abstände und die FIAC-Wechselwirkungsrichtungen für ein Fragment, dessen Wechselwirkungszentren mit den SIACs der Positions- oder Stellen-Wechselwirkungsdreiecke zu überlagern sind. In diesem Stadium enthält die Datenbank DB der Verbindungen eine Tabelle mit den Bedingungen der Positions- oder Stellen-Wechselwirkungsdreiecke des Rezeptors T (Satz von Target-Deskriptoren) und eine Tabelle mit Fragment-Wechselwirkungsdreiecken der Verbindungen V (Katalog von Molekül-Deskriptoren).
In einem dritten Schritt (3) werden alle Positions- oder Stellen-Wechselwirkungsdreiecke des Rezeptors bearbeitet und die Bedingungen jedes Dreiecks unter Berücksichtigung eines geeigneten Toleranzbereiches in positiver und negativer Richtung in eine Indexbereich-Abfrage der Tabelle der Fragment-Wechselwirkungsdreiecke der Verbindungen V übersetzt.
Mit jedem Deskriptor werden auch Informationen über die sterischen Bedingungen um das Wechselwirkungsdreieck gespeichert. Dies gilt sowohl für Wechselwirkungsdreiecke der Verbindungen als auch für Wechselwirkungsdreiecke des Targets. Die sterischen Informationen werden verwendet, um schon während der Datenbankabfrage grob zu überprüfen, ob das Fragment der Verbindung mit der Bindungsstelle des Rezeptors überlappt. Auf diese Weise wird ein initialer Test auf Überlappung zwischen Verbindung und Target für jeden Treffer der Abfrage durchgeführt.
Auf Grund der hinzugefügten Toleranzbereiche unterscheiden sich die Qualitäten dieser Treffer (in 1 in Form einer Trefferliste TrL angedeutet) bei den Positions- und den Fragment-Wechselwirkungsdreiecken. Aus diesem Grund wird die Qualität jedes Treffers der Abfrage mit Hilfe einer Bewertungsfunktion bewertet, und es werden nur diejenigen Treffer gespeichert, die um einen bestimmten Betrag oberhalb eines durch einen Benutzer definierten Schwellwertes liegen.
In einem vierten Schritt (4) übersetzt der Algorithmus dann jeden in der Trefferliste TrL gespeicherten Treffer der Abfrage in eine Platzierung des zu Grunde liegenden Fragment-Konformers oder vollständigen Moleküls an der Bindungsstelle des Rezeptors. Die Überlagerung des Positions-Wechselwirkungsdreiecks mit den drei FIACs der Fragment-Wechselwirkungsdreiecke definiert dabei die Rotationen und Translationen des Fragment-Konformers.
Anschließend wird in einem fünften Schritt (5) eine genaue Überprüfung des sterischen Fits für jede Platzierung jedes Fragment-Konformers in der Bindestelle des Rezeptors durchgeführt ("Überlappungstest"), und es wird die Bindungsaffinität für jede Platzierung abgeschätzt und jede Platzierung mit einer geringen Affinität verworfen.
Nachdem die Fragmente aller Abfrage-Treffer für alle Positions- oder Stellen-Wechselwirkungsdreiecke platziert worden sind, wird in einem sechsten Schritt (6) bewertet, welche Fragmente zu welchen Verbindungen gehören. Außerdem werden ggf. Kombinationen von Platzierungen von verschiedenen Fragmenten der gleichen Verbindung identifiziert, die mit einer Verbindungs-Konformation realisiert werden können. Dies entfällt jedoch, wenn nur vollständige Moleküle in der Datenbank gespeichert sind.
Nun wird schließlich in einem siebten Schritt (7) das Maß der Affinität der platzierten und bewerteten Fragmente verwendet, um eine Rangordnung der Verbindungen aufzustellen, die mindestens eine gültige Platzierung aufweisen.
Im Folgenden soll nun anhand der 2 die Berechnung eines Molekül-Deskriptors für Fragment-Wechselwirkungsdreiecke der Verbindungen V beschrieben werden. Der Molekül-Deskriptor kodiert die Typen der Wechselwirkungszentren, der Abstände und der Wechselwirkungsrichtungen eines Dreiecks der FIACs sowie zusätzlich Informationen über die sterischen Gegebenheiten des das Dreieck umgebenden Fragmentes.
Gemäß 2(A) spannen drei FIACs (FIAC1, FIAC2, FIAC3) eines Fragmentes ein Wechselwirkungsdreieck WD auf. In der Darstellung ist die Haupt-Wechselwirkungsrichtung des FIACs 2 mit HWR und der Mittelpunkt des Wechselwirkungsdreiecks mit M bezeichnet.
Gemäß 2(B) sortiert dann ein kanonischer Anordnungs-Algorithmus die drei FIACs (fiac₀, fiac₁, fiac₂) in der Weise, dass die Typen der FIACs (t₀, t₁, t₂) und die Längen ihrer benachbarten Dreiecksseiten (d_0,1, d_1,2, d_2,0) in einer lexikographischen Reihenfolge angeordnet sind: (t₀, d_0,1) ≤_L (t₁, d_1,2) ≤_L (t₂, d_2,0).
Die Ecken des Dreiecks (die FIACs) beschreiben eine Ebene, in der das Dreieck liegt. Anhand der Sortierung der drei FIACs kann eindeutig der Raum oberhalb und der Raum unterhalb der Dreiecksebene unterschieden werden. Um den Ort der sterischen Masse des Fragmentes zu beschreiben, werden Kopien der Dreiecksseiten innerhalb der Ebene nach außen (weg vom Dreiecksmittelpunkt) verschoben und dann nach oben und unten versetzt. Damit ergeben sich insgesamt drei Linien oberhalb (t-bulk_line0,1, t-bulk_line1,2, t-bult_line2,0) und drei Linien unterhalb des Dreiecks (b-bulk_line0,1, b-bulk_line1,2, b-bulk_line2,0). In 2(B) sind nur die Linien oberhalb des Dreiecks dargestellt.
Jede dieser Linien wird in eine konstante Zahl (hier: neun) diskreter, jeweils gleich langer Segmente aufgeteilt; jedes Segment jeder Linie wird im Deskriptor durch ein Bit repräsentiert. Wird ein Segment vom Fragment ganz oder teilweise durch sterische Masse überdeckt, wird das Bit im Deskriptor gesetzt, sonst ist es nicht gesetzt.
Für den Bereich oberhalb und für den Bereich unterhalb des Dreiecks werden dazu vorzugsweise jeweils 27 Bit verwendet.
Somit kodiert eine Bitfolge also auf dieser Basis das Vorhandensein (z.B. das Bit des Liniensegmentes ist gesetzt) oder das Fehlen (das Bit ist nicht gesetzt) sterischer Masse der Verbindung entlang jeder Linie. Alternativ dazu können auch Entfernungen vom Koordinatenursprung bis zur Moleküloberfläche in verschiedenen Richtungen gemessen werden.
Wie in 2(B) dargestellt ist, werden oberhalb und unterhalb des Dreiecks jeweils drei weitere Bits genutzt, um das Vorhandensein sterischer Masse an den (in gleicher Weise nach oben und unten verschobenen) Eckpunkten des Dreiecks (t-bulk_fiac0, t-bulk_fiac1, t-bulk_fiac2 bzw. b-bulk_fiac0, b-bulk_fiac1, b-bulk_fiac2) zu kodieren. Des Weiteren wird jeweils ein Bit verwendet, um das Vorhandensein sterischer Masse oberhalb und unterhalb des Dreiecksmittelpunkts zu kodieren (t-bulk_cen bzw. b-bulk_cen).
Als nächstes wird zur Beschreibung der Richtung der Wechselwirkung eines FIAC gemäß 2(C) das Dreieck in einem lokalen Koordinatensystem in der Weise angeordnet, dass das FIAC mit dem Ursprung zusammenfällt, dass der Mittelpunkt des Dreiecks auf der negativen x-Achse liegt, und dass das in der kanonischen Ordnung folgende FIAC in der x-z-Ebene mit einem negativen x-Wert liegt.
Die Richtung der Wechselwirkung kann nun gemäß den 2(D) bis 2(F) mit drei Euler-Winkeln beschrieben werden:
Gemäß 2(D) repräsentiert θ den Winkel zwischen der negativen x-Achse und der auf die x-z-Ebene projizierten Richtung der Wechselwirkung.
Gemäß 2(E) stellt ϕ den Winkel zwischen der negativen x-Achse und der auf die x-y-Ebene projizierten Richtung der Wechselwirkung dar.
Schließlich bezeichnet ψ gemäß 2(F) den Winkel zwischen der positiven z-Achse und der auf die x-y-Ebene projizierten Richtung der Wechselwirkung.
Die Erzeugung der Target-Deskriptoren der Positions- oder Stellen-Wechselwirkungsdreiecke der SIACs der Rezeptoren erfolgt gemäß 3(A) und 3(B) in analoger Weise, wie es oben mit Bezug auf die 2(A) und 2(B) beschrieben wurde, wobei gleiche bzw. einander entsprechende Eckpunkte, Seiten, Linien usw. mit jeweils gleichen bzw. einander entsprechenden Bezeichnungen versehen sind, so dass insoweit auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden kann. Der Target-Deskriptor kodiert die Typen der Wechselwirkungsrichtungen HWR eines Dreiecks der SIACs sowie zusätzlich Informationen über die sterische Masse des das Dreieck umgebenden Rezeptors.
Dabei definiert ein Triplet der SIACs ein Positions- oder Stellen-Wechselwirkungsdreieck, das mit dem gleichen Deskriptor beschrieben werden kann, wie er für die Fragment-Wechselwirkungsdreiecke benutzt wird. Hinsichtlich der Ermittlung der Richtung der Wechselwirkung HWR gelten die 2(C) bis 2(F) entsprechend.
Wie bereits erläutert wurde, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise mit Hilfe einer relationalen Datenbank ausgeführt. Die Daten der Verbindungen und der Fragmente werden dabei in Tabellen der Datenbank gespeichert. 4 zeigt schematisch die Struktur einer solchen Datenbank in Form ihrer Tabellen und deren relativer Verknüpfungen. Mit Indexstrukturen nach dem B-Baum-Typ kann der Zugriff auf diese Tabellen und die Abfrage der Tabellen wesentlich beschleunigt werden.
Zu der größten und am häufigsten abgefragten Tabelle "Geometrien der Fragment-Wechselwirkungsdreiecke" (Tabelle N) sind alle Attribute der Fragment-Dreiecke mit Ausnahme der Bitfolgen der sterischen Masse in dem B-Baum-Index enthalten.
Im Einzelnen beinhalten die Tabellen in 4 folgende Daten:

A: die Verbindungen,
B: die Wechselwirkungszentren der Verbindungen (CIACs),
C: die CIAC-Abstände,
D: die Verweise auf enthaltene Fragmente einer Verbindung,
E: die Atom-Bezugskoordinaten des aktiven Fragmentkonformers für eine spezielle Verbindung,
F: die Atome eines Fragments,
G: die Atomkoordinaten aller Fragmentkonformere,
H: die Fragmente,
K: die Verweise von CIACs auf die entsprechenden FIACs der enthaltenen Fragmente,
L: die FIACs,
M: die FIAC Koordinaten aller Fragmentkonformere,
N: die Geometrien der Fragment-Wechselwirkungsdreiecke der FIACs und
P: die Geometrien der Positions- oder Stellen-Wechselwirkungsdreiecke der SIACs.

Das Verfahren wurde mit verschiedenen virtuellen Screening-Versuchen gegen neun Target-Proteine mit pharmazeutischer Relevanz getestet. Die Ergebnisse wurden mit den Ergebnissen eines bekannten Molekül-Docking-Programms (FlexX) verglichen.
Dabei zeigte sich, dass in sechs von elf Fällen das erfindungsgemäße Verfahren ähnliche oder geringfügig bessere Leistungen als das FlexX-Programm zeigte, während es in drei Fällen schlechter war als das bekannte FlexX-Programm. Die mittlere Laufzeit pro Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Screening-Verfahren konnte um einen Faktor von zwischen 10 und 60 im Vergleich zu dem FlexX-Programm reduziert werden. Aus der Literatur kann entnommen werden, dass FlexX zu den schnellsten, heute verfügbaren Docking-Programmen gehört. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die mittlere Laufzeit pro Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens mit zunehmender Größe der Bibliothek, d. h. mit steigender Anzahl der Verbindungen, abnimmt.

Claims

Verfahren zum struktur-basierenden virtuellen Screening, mit folgenden Schritten: – Kategorisieren bzw. Sortieren von zu durchsuchenden Verbindungen auf der Grundlage ihrer physikochemischen und/oder geometrischen und/oder strukturellen Eigenschaften in einem Katalog, – Ermitteln der physikochemischen und/oder geometrischen und/oder strukturellen Eigenschaften eines Targets, – Bestimmen des oder der Teile des Katalogs, die zu den ermittelten Eigenschaften des Targets passen, und – Screening der Verbindungen in diesen Teilen des Katalogs gegen das Target.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Eigenschaften des Targets die Struktur der Bindungsstelle eines Rezeptors oder eine Relativ-Orientierung bekannter, gegenüber dem Target aktiver Verbindungen oder eine biologische Aktivität des Targets darstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die physikochemischen und/oder geometrischen und/oder strukturellen Eigenschaften des Targets und/oder der Verbindungen durch einen oder mehrere Deskriptoren (Target- bzw. Molekül-Deskriptor) beschrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Deskriptoren indiziert sind, so dass sie nach ihren Eigenschaftswerten sortiert und mit insbesondere standardisierten Index-Strukturen wie B-Bäumen verwaltet werden können.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Deskriptoren auch richtungsabhängige Bedingungen oder bevorzugte Richtungen in Bezug auf Atomkoordinaten beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Deskriptoren physikochemische und/oder geometrische und/oder strukturelle Eigenschaften von Triplets von funktionalen Gruppen einer Verbindung und/oder eines Targets beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Deskriptoren auch richtungsabhängige Bedingungen oder Vorzugsrichtungen von funktionalen Gruppen einer Verbindung und/oder eines Targets in Bezug auf Atomkoordinaten beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Vorzugsrichtungen einer funktionalen Gruppe in einem Triplet von funktionalen Gruppen durch Zentrierung eines lokalen Koordinatensystems in der funktionalen Gruppe und Ausrichtung des Koordinatensystems in Bezug auf die anderen funktionalen Gruppen des Triplets beschrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Vorzugsrichtung einer funktionalen Gruppe relativ zu einem lokalen Koordinatensystem, insbesondere durch Euler-Winkel, in Bezug auf die Achsen des lokalen Koordinatensystems beschrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem Bereiche für die Seitenlängen von Dreiecken und Euler-Winkeln definiert werden, innerhalb derer die Eigenschaften eines Verbindungs-Deskriptors als komplementär zu den Bedingungen eines Target-Deskriptors angesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, mit einem ersten Schritt (1), mit dem die Verbindungen (V) in ein oder mehrere Bruchstücke oder Fragmente zerlegt und diese bezüglich ihrer Konformation untersucht bzw. abgetastet werden, um die relative räumliche Lage funktionaler Gruppen in den Verbindungen bzw. den Fragmenten und damit die räumliche Lage von Wechselwirkungszentren der Verbindungen (CIACs) bzw. Wechselwirkungszentren der Fragmente (FIACs) zu identifizieren.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein oder mehrere Fragment-Wechselwirkungsdreiecke für jeden Fragment-Konformer durch Triplets von FIACs gebildet wird, wobei die Fragment-Wechselwirkungsdreiecke die physikochemischen und/oder geometrischen und/oder strukturellen Merkmale eines Fragment-Konformers unter Verwendung eines Molekül-Deskriptors beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 11, mit einem zweiten Schritt (2), mit dem günstige oder vorteilhafte Wechselwirkungszentren an den Bindungsstellen (SIACs) des Rezeptors bzw. Targets (T) für funktionale Gruppen von Verbindungen (V) gesucht werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein Satz von Wechselwirkungsdreiecken für Positionen oder Stellen des Targets durch Triplets von SIACs definiert wird, und die Deskriptoren dieser Wechselwirkungsdreiecke die erforderlichen FIAC-Typen, die paarweisen FIAC-Abstände und die FIAC-Wechselwirkungsrichtungen für ein Fragment, dessen Wechselwirkungszentren mit den SIACs der Wechselwirkungsdreiecke des Targets zu überlagern sind, beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 14, mit einem dritten Schritt (3), mit dem alle Positions- oder Stellen-Wechselwirkungsdreiecke des Rezeptors bearbeitet werden, und die Bedingungen jedes Wechselwirkungsdreiecks des Targets unter Berücksichtigung eines geeigneten Toleranzbereiches in positiver und negativer Richtung in eine Indexbereich-Abfrage einer Tabelle der Fragment-Wechselwirkungsdreiecke der Verbindungen (V) übersetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, mit einem vierten Schritt (4), mit dem jeder in einer Trefferliste (TrL) gespeicherte Treffer der Abfrage mittels eines Algorithmus in eine Platzierung des zu Grunde liegenden Fragment-Konformers oder vollständigen Moleküls an der Bindungsstelle des Rezeptors übersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, mit einem fünften Schritt (5), mit dem eine Überprüfung des sterischen Fits für jede Platzierung jedes Fragment-Konformers in der Bindestelle des Rezeptors durchgeführt und die Bindungsaffinität für jede Platzierung abgeschätzt wird, wobei Platzierungen mit einer geringen Affinität verworfen werden können.
Verfahren nach Anspruch 17, mit einem sechsten Schritt (6), mit dem bewertet wird, welche Fragmente zu welchen Verbindungen gehören, und mit dem ggf. Kombinationen von Platzierungen von verschiedenen Fragmenten der gleichen Verbindung identifiziert werden, die mit einer Verbindungs-Konformation realisiert werden können.
Verfahren nach Anspruch 18, mit einem siebten Schritt (7), mit dem das Maß der Affinität der platzierten und bewerteten Fragmente verwendet wird, um eine Rangordnung der Verbindungen aufzustellen, die mindestens eine gültige Platzierung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Katalog in einer virtuellen Bibliothek einer Datenbank eines Computerprogramms gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem mindestens einer der Target-Deskriptoren so definiert wird, dass er zur Abfrage des in einer virtuellen Bibliothek einer Datenbank eines Computerprogramms gespeicherten Katalogs verwendet werden kann.
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21, und/oder zur Anwendung in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wenn das Programm auf einem Microcomputer ausgeführt wird.
Computerprogramm nach Anspruch 22, bei dem die Daten der Verbindungen und der Fragmente in den Tabellen einer relationalen Datenbank gespeichert sind.
Computerprogramm-Produkt, gespeichert auf einem Computer-lesbaren Medium, mit einem Programm-Code zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21, und/oder zur Anwendung in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 auf einem Computer.