AutoDock 教程

发表于 更新于 Waline：

1 关于 AutoDock

AutoDock 是一个预测小分子（如底物或候选药物）如何与已知 3D 结构的受体结合的分子对接工具。目前主要有 AutoDock 4 和 AutoDock Vina 两种发行版本，其中 AutoDock 4 还有一个 GPU 加速版本——AutoDock-GPU。1

AutoDock 4 进行分子对接时由两部分组成：

  1. autogrid 计算受体的 Grid；

  2. autodock 执行配体与靶蛋白 Grid 的对接。

注：AutoDock Vina 不需要选择原子类型及预先计算 Grid，Grid 在执行对接时计算，因此能够用于虚拟筛选（批量对接）；且 AutoDock Vina 相对 AutoDock 4 拥有更高的精度，更加推荐使用 AutoDock Vina。

注：在一些文献中，可能会将 AutoDock 4 直接称为 AutoDock，将 AutoDock Vina 称为 Vina。下文中的 AutoDock 也是指 AutoDock 4。

2 软件安装

2.1 安装软件

  1. 下载并安装 AutoDock 4 （AutoDock 主程序）： http://autodock.scripps.edu/downloads

  2. 下载并安装 MGLTools 最新版本 （AutoDock 可视化程序）： http://mgltools.scripps.edu/downloads

可选：

  1. 下载并安装 Open Babel（化学文件格式转换）： https://github.com/openbabel/openbabel/releases/

  2. 下载并安装 PyMOL（分子可视化工具）：How to install PyMOL on Windows

注：在网上的一些教程中，安装 AutoDock 需要单独安装 Python 2.5 环境，事实上 AutoDock 安装包中自带，无需单独安装。

2.2 默认路径设置

  1. 双击桌面“AutoDockTools-1.5.7”图标，打开“AutoDockTools”。
Fig. 2.1 AutoDockTools 主界面
  1. 设置工作路径：依次点击“File > Preferences > Set...”，在“Set User Preferences”窗口下的“Startup Directory”更改想要设置的工作路径，并点击“Set”保存。
Fig. 2.2 Set User Preferences 界面

这里将工作路径设置为“D:\CADD”。

3 分子对接

首先需要对 Receptor 和 Ligand 进行预处理，并转换为 AutoDock 4 可接受的“pdbqt”文件格式。

Receptor 准备包括删除受体中的水、Ligand 等杂原子，修复残基，加氢等，这些步骤也可以使用其它软件进行操作；（Ligand 准备）接着对 Receptor 加电荷，确认可旋转键（生成不同构象），用于对接。 Ligand 若为肽也需要类似操作。（Grid map 准备）在完成 Receptor 和 Ligand 预处理后，需要进一步定义对接位点。

在拥有预处理的 Receptor 和 Ligand 及对接位点这三个信息后，就可以进行分子对接。

3.1 Receptor 准备

注：开始之前建议仔细阅读 The Protein Preparation Process，以增加对蛋白处理的理解。

  1. 打开“AutoDockTools-1.5.7”。

  2. “File > Read Molecule”打开 Receptor 蛋白。

  3. 删除多余的原子：删除水分子和其他杂原子。

注：不是所有的水分子和杂原子都要删除，如果水分子或杂原子参与了蛋白和配体的相互作用，则应保留。

  1. 修复残基：“Edit > Misc > Check for Missing Atoms”，在“Check for Missing Atoms Results:”窗口中选择“Select All Residues”，点击“Dismiss”关闭窗口，再依次点击“Edit > Misc > Repair Missing Atoms”，等待出现“Check for CloseContact Results:”点击“Save as 2 sets”保存结果，点击“Dismiss”关闭窗口。
Fig. 3.1 Check for CloseContact Results 窗口
  1. 加氢：“Edit > Hydrogens > Add”，添加全部氢。
Fig. 3.2 Add Hydrofens
  1. 加电荷：“Edit > Charges > Compute Gasteiger”，点“OK”，然后点击“Edit > Charges > Check Totals on Residues”，点击“Spread Charge Deficit over all atoms in residue”，点击“Dismiss”关闭窗口。
Fig. 3.3 Spread Charge Deficit over all atoms in residue

注：在 Autodock 3 官方文档中，推荐小分子添加 Gasteiger charges，蛋白质或肽添加 Kollman charges；Autodock 4官方文档中一律使用 Gasteiger charges。

  1. 合并非极性氢：“Edit > Hydrogens > Merge Non-Polar”。

  2. 添加原子类型：Edit > Atoms > Assign AD4 type，点击后不出现对话框；（注：非必需，如果不执行此步骤，直接使用“File > Save > Write PDBQT”导出文件会报错）

  3. 导出：“Grid > Macromolecule > Choose…”，选择正在编辑的 Receptor，提示保存 .pdbqt 文件。根据官方文档的描述，此步会自动执行上述 6 – 8 的步骤，因此只执行此步即可。

3.2 Ligand 准备

配体同样需要进行预处理，小分子使用 ChemDraw 等进行结构优化后，保存为 .mol2 格式，肽则需要按照上述“Receptor 准备”进行预处理，保存为“pdbqt”文件格式。下面以小分子配体为例：

  1. 导入 Ligand：“Ligand > Input > Open”，将文件名搜索框右侧文件格式改为MOL2 Files，打开小分子，弹出对话框点确定。

  2. 判断配体的 Root：“Ligand > Torsion Tree > Detect Root”。

  3. 设置可选键的数量：“Ligand > Torsion Tree > Set Number of Torsions”，默认选择“fewest atoms”，数值默认最大值。（此步可不操作，默认设置即可）

  4. 查看可旋转的键：“Ligand > Torsion Tree > Choose Torsion”，绿色的表示可以旋转，然后点击 Done。

  5. 输出：点击“Ligand—Output > Save as PDBQT”。

3.3 Grid map 准备

  1. 导入 Receptor：上述 3.1.8 已经导入了 Receptor；或者直接调用保存的 Receptor 的 .pdbqt 文件，依次点击“Grid > Macromolecule > Open”，提示是否保留分子中的电荷，选择“Yes”。
Fig. 3.4 提示是否保留原分子中的电荷

  1. 导入 Ligand：“Grid > Set Map Types > Choose Ligand…”。

  2. 设置 Grid Box：“Grid > Grid Box…”，打开“Grid Options ”对话框。调整x,y,z及格子中心坐标。Spacing (angstrom)包含可以整体调整 Grid 大小。设置好 Grid Box 大小后，点击“File > Close saving current”退出。Grid 要包含大分子的活性位点，如果没有明确的活性位点，则将整个大分子包含在内。

Fig. 3.5 Grid Options 窗口
Fig. 3.6 Box 要求包含受体活性位点
  1. 确认 Ligand 在 Box 外：在 3.3.2 中导入了 Ligand，如果 Ligand 在 Box 中，可能会影响对接，点击“DejaVu GUI” ，在 DejaVu GUI 窗口中选中 Ligand，取消勾选“mouse transforms apple to “root” object only”后可以单独移动 Ligand 分子，将 Ligand 移出 Box 外再勾选上“mouse transforms apple to “root” object only”。
Fig. 3.7 DejaVu GUI 按钮
Fig. 3.8 DejaVu GUI 窗口

  1. 保存：“Grid > Output > Save GPF...”，文件名需要手动加上后缀名“.gpf”。

  2. 运行：“Run > Run AutoGrid”，如下图所示，在“Program Pathname”框中选择“atuogrid4.exe”，“Parameter Filename”框中选中上一步生成的 .gpf 文件，点击 Launch。等待“Autodock Process Manager”窗口的任务完成，弹窗会自动消失，此时工作目录会多出一堆文件。

Fig. 3.9 AutoGrid 窗口

3.4 Docking 准备

  1. 导入 Receptor：“Docking > Macromolecule > Set Rigid Filename…”。

  2. 导入 Ligand：“Docking > Ligand > Choose...”，对话框选择Accept。

  3. 设置算法：“Docking > Search Parameters > Genetic Algorithm”，默认设置，点击Accept。

  4. 设置对接参数。ADT菜单栏：“Docking > Docking Parameters…”，默认设置，点击Accept。

  5. 保存：“Docking > Output > Lamarckian GA (4.2)…”，文件名需要手动加上后缀名“.dpf”。

  6. 运行：“Run > Run AutoDock”，等待弹窗的任务完成，弹窗会自动消失，对接完成。

4 结果分析

  1. 先清除显示窗口的分子：“Edit > Delete > “Delete All Molecules”。

  2. 打开 Docking 结果文件：“Analyze > Dockings > Open...”，打开“.dlg”文件。

  3. 显示 Receptor：“Analyze > Macromolecule > Open...”，显示窗口自动导入 Receptor。

  4. 查看 Docking 结果：“Analyze > Conformations > Play, ranked by energy...”。

参考文献

[1] AutoDock (scripps.edu)

[2] https://autodock.scripps.edu/wp-content/uploads/sites/56/2022/04/AutoDock4.2.6_UserGuide.pdf

更新说明

2024-04-23

  1. 重写 1 关于 AutoDock；
  2. 补充部分注释。