Enhancing Hit Discovery in Virtual Screening through Absolute Protein–Ligand Binding Free-Energy Calculations

自由能微扰 虚拟筛选 元动力学 化学 蛋白质配体 对接(动物) 配体(生物化学) 药物发现 均方误差 计算化学 分子动力学 数学 统计 生物化学 受体 护理部 医学
作者
Wei Chen,Di Cui,Steven V. Jerome,Mayako Michino,Eelke B. Lenselink,David J. Huggins,Alexandre Beautrait,Jérémie Vendôme,Robert Abel,Richard A. Friesner,Lingle Wang
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:63 (10): 3171-3185 被引量:80
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.3c00013
摘要

In the hit identification stage of drug discovery, a diverse chemical space needs to be explored to identify initial hits. Contrary to empirical scoring functions, absolute protein–ligand binding free-energy perturbation (ABFEP) provides a theoretically more rigorous and accurate description of protein–ligand binding thermodynamics and could, in principle, greatly improve the hit rates in virtual screening. In this work, we describe an implementation of an accurate and reliable ABFEP method in FEP+. We validated the ABFEP method on eight congeneric compound series binding to eight protein receptors including both neutral and charged ligands. For ligands with net charges, the alchemical ion approach is adopted to avoid artifacts in electrostatic potential energy calculations. The calculated binding free energies correlate with experimental results with a weighted average of R2 = 0.55 for the entire dataset. We also observe an overall root-mean-square error (RMSE) of 1.1 kcal/mol after shifting the zero-point of the simulation data to match the average experimental values. Through ABFEP calculations using apo versus holo protein structures, we demonstrated that the protein conformational and protonation state changes between the apo and holo proteins are the main physical factors contributing to the protein reorganization free energy manifested by the overestimation of raw ABFEP calculated binding free energies using the holo structures of the proteins. Furthermore, we performed ABFEP calculations in three virtual screening applications for hit enrichment. ABFEP greatly improves the hit rates as compared to docking scores or other methods like metadynamics. The good performance of ABFEP in rank ordering compounds demonstrated in this work confirms it as a useful tool to improve the hit rates in virtual screening, thus facilitating hit discovery.
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