引言
蛋白與肽段的相互作用（PpIs）介導了大量的蛋白-蛋白相互作用，闡明蛋白-肽復合物的結構細節對于理解肽療法和蛋白-肽識別基礎的分子機制至關重要。但是，PpIs的高度動態性和瞬時性極大地阻礙了蛋白-肽復合物結構的實驗表征，因此，多種蛋白-肽對接方法被開發出來以預測蛋白-肽復合物的結合模式，但對于這些對接程序的優點和局限性缺乏系統性評估。
簡介
浙江大學侯廷軍團隊與中南大學曹東升團隊聯合構建了基準數據集PepSet，并提出用界面處配體的RMSD（IL_RMSD）來衡量預測蛋白-肽模型的質量，對3個蛋白-蛋白對接程序（ZDOCK, FRODOCK, HawkDock），3個小分子對接程序（GOLD, Surflex-Dock, AutoDock vina）以及8個蛋白-肽對接程序（GalaxyPepDock, MDockPep, HPEPDOCK, CABS-dock, pepATTRACT, DINC, AutoDock CrankPep, HADDOCK）共14個對接程序的性能進行了系統評估。
蛋白-肽復合物基準數據集PepSet
PepSet是從PepBDB中提取的，收集了肽長度在5-20個氨基酸的所有蛋白-肽復合物并根據序列同一性等標準最終得到185個PDB結構。根據結合結構中肽的構象與其理想伸展構象或螺旋構象之間骨架原子的RMSD，將PepSet分為以下三類：
根據該標準，基準數據集的所有復合物中，132個屬于簡單，28個屬于適中，25個屬于困難級別。為了對接方便，使用Python庫的PeptideBulider手動生成了肽的3個理想初始構象。受體蛋白中的所有非標準氨基酸都被修飾為標準氨基酸。該基準數據集可從http://cadd.zju.edu.cn/pepset下載得到。圖1顯示了數據集中肽的分布情況。?
圖1. PepSet中復合物按肽長度和難度的分布圖.
圖片來源：JCTC
評估指標
蛋白-肽結構質量通過界面處配體的RMSD（IL_RMSD）和天然接觸分數（fnat）來衡量。IL_RMSD由將距肽段10?內的蛋白殘基進行優化重疊后，基于距蛋白10?內肽殘基的骨架原子計算得到，通過ProFit程序完成RMSD計算。另外，若蛋白和肽中的兩個殘基的任一重原子在4?以內，則定義為接觸，天然接觸分數fnat被用于評估側鏈的質量。軟件評估標準如下：
在上述標準下，對接成功率被定義為在前N個模型中具有至少一個接近天然構象的預測的案例的百分比。例如，若在前100個預測中找到185個復合物中有74個接近天然構象，則“前100個”級別的成功率為74/185=40%。
基準測試結果
當前的蛋白-肽對接算法可以大致分為基于模板的對接和無模板對接兩類，基于模板的對接如GalaxyPepDock使用類似模板的復合物結構來預測蛋白-肽復合物的結合結構。無模板對接根據結合位點是否已知分為全局對接和局部對接，前者會對蛋白的整個表面執行詳盡的搜索以捕獲和肽的結合位點及模式，后者則是在用戶定義的位點（格點盒子）附近搜索。
圖2. 前N個預測中，全局（A-C）和局部（D-F）對接程序在三種標準下的成功率
圖片來源：JCTC
圖2顯示了在整個數據集上測試全局和局部對接程序的成功率。GalaxyPepDock是基于模板的對接方法，其性能明顯優于PepSet數據集上的任何無模板對接方法。對于全局對接，HPEPDOCK表現最好且計算效率更高，在前1、前10和前100級別的成功率分別為4.3%，24.3%和55.7%。其次是CABS-dock_SA，CABS-dock_HA，MDockPeP_SA，MDockPeP_HA，FPODOCK，pepATTRACT，HawkDock和ZDOCK。對于后三種對接程序，每個肽的三個理想構象都通過剛性對接算法對接，因此無法很好地處理肽的柔性。另外，由HPEPDOCK對接的初始肽構象數量多達1000個，這可能是其成功率最高的關鍵因素之一，也為其他對接程序提高準確性提供了啟發性的策略。需要注意的是，所有方法都無法在高質量預測中提供良好的測試結果。
對于局部對接而言，ADCP(AutoDock CrankPep)達到了最佳預測效果，在前1、前10和前100級別的成功率分別為11.9%，37.3%和70.3%。其他對接程序排序為：GOLD_HA> MDockPeP_SA(局部）≈ MDockPeP_HA(局部)> HADDOCK> GOLD_SA> Surflex≈Vina_SA> HPEPDOCK（局部）> DINC> Vina_HA。
圖3.?前N個預測中，全局（A-C）和局部（D-F）對接程序在三類子集上的成功率
圖片來源：JCTC
為了研究肽柔性的影響，將基準數據集分為簡單，適中和困難三類。對接結果如圖3所示。隨著肽柔性的增加，對接程序的性能逐漸降低。在全局對接中，HPEPDOCK的性能十分強大，在3個類別中都顯示出最佳性能。在本地對接中，ADCP、GOLD_HA和MDockPeP_SA分別在簡單、適中和困難子集中獲得最佳性能。
總結
本文構建了一個包含185個蛋白-肽復合物的基準數據集PePSet并提出一個新的評估標準IL_RMSD用于評估14種對接程序?？傮w而言，蛋白-肽對接程序比蛋白-蛋白和蛋白-小分子對接程序具有更好地性能，生成足夠多的初始肽構象是改善對接性能的有效策略。全局對接中，HPEPDOCK顯示出最佳性能，局部對接中，ADCP在整個數據集上表現最佳。
參考文獻
Weng G, Gao J, Wang Z, et al. Comprehensive Evaluation of Fourteen Docking Programs on Protein-Peptide Complexes. J Chem Theory Comput. May 6 2020. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.9b01208