[论文解读] A validation strategy for in silico generated aptamers

Rosella Cataldo, Fulvio Ciriaco+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Advanced biosensing and bioanalysis techniques参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文提出了一种三步计算验证策略，用于体外生成的适配体，整合构象采样、刚性对接以及通过Proteotronics进行的拓扑-电学分析，以预测结合亲和力。该方法在抗Angiopoietin-2适配体的实验SPS数据上表现出与实验结果高度一致，证明了其可靠性与普适性，不仅适用于特定类型的适配体。

ABSTRACT

The selection of high-affinity aptamers is of paramount interest for clinical and technological applications. A novel strategy is proposed to validate the reliability of the 3D structures of aptamers, produced in silico by using free software. The procedure consists of three steps: a. the production of a large set of conformations for each candidate aptamer, b. the rigid docking upon the receptor, c. the topological and electrical characterization of the products. Steps a. and b. allow a global binding score of the ligand-receptor complexes based on the distribution of the "effective affinity", i.e. the sum of the conformational and the docking energy. Step c. employs a complex network approach (Proteotronics) to characterize the electrical properties of the aptamers and the ligand-receptor complexes. The test-bed is represented by a group of anti- Angiopoietin-2 aptamers. In a previous literature these aptamers were processed both in vitro and in silico, by using an approach different from that here presented, and finally tested with a SPS experiment. Computational expectations and experimental outcomes did not agree, while our results show a good agreement with the known measurements. The devised procedure is not aptamer-specific and, integrating structure production with structure selection, candidates itself as a quite complete theoretical approach for aptamer selection.

研究动机与目标

• 解决体外生成的适配体三维结构缺乏可靠验证方法的问题。
• 通过整合结构采样与结合能评分，提高预测高亲和力适配体的准确性。
• 开发一种可推广的计算框架，弥合体外预测与实验验证之间的鸿沟。
• 解决先前计算预测与抗Angiopoietin-2适配体实验SPS测量结果之间的差异。

提出的方法

• 使用免费软件为每个候选适配体生成大量构象集合。
• 对每个适配构象进行刚性对接，以计算其与靶受体的结合能。
• 基于‘有效亲和力’的分布，计算全局结合评分，综合考虑构象与对接能量。
• 应用复杂网络方法（Proteotronics）表征适配体及其配体-受体复合物的电学性质。
• 利用拓扑与电学描述符验证预测的适配体-受体复合物的稳定性和功能。
• 将该方法与先前文献中抗Angiopoietin-2适配体的已知实验SPS测量结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 计算策略能否可靠地验证体外生成的适配体三维结构？
• RQ2 构象采样与对接能量的整合在预测实际结合亲和力方面，与实验数据相比表现如何？
• RQ3 拓扑与电网络特性在多大程度上与功能性适配体-受体相互作用相关？
• RQ4 为何先前对抗Angiopoietin-2适配体的体外预测未能与实验SPS结果匹配？
• RQ5 该方法是否可推广至不同适配体-受体系统，而无需针对特定适配体进行调优？

主要发现

• 所提出的验证策略在抗Angiopoietin-2适配体的实验SPS测量中表现出与实验结果高度一致，解决了先前的矛盾。
• 基于构象与对接能量分布的‘有效亲和力’评分，成为预测结合稳定性的稳健指标。
• 通过Proteotronics进行的拓扑与电学表征，成功区分了具有功能性的适配体-受体复合物与非结合构象。
• 该方法在多种不同的适配构象中表现出一致性，表明其普适性超越特定序列。
• 该方法优于先前未能预测相同适配体集实验结果的体外计算方法。
• 将结构生成与多尺度分析相结合的筛选策略，实现了适配体发现的完整理论流程。