Mutation Energy Calculation (ddG)

简介

Mutation Energy Calculation (ddG) 用于计算在蛋白质/核酸/小分子复合物结构中，由于突变而引起的结合自由能差（即突变能，ddG）。当不指定突变时可用于计算蛋白质/核酸/小分子复合物结构的结合自由能。支持蛋白突变和核酸（DNA/RNA）突变。

参数说明

Input File

输入的蛋白质/核酸/小分子/复合物 PDB 文件，必选项。如果存在残基编号间隙，可在 PDB 中提供 SEQRES 记录以便自动补全（晶体结构中一般都有SEQRES记录因此会自动补全）。

Receptor Chains

输入结构中受体链 ID（逗号分隔），默认为全部非配体链。

D
B,C

Receptor Residues

输入结构中受体残基号范围，默认为全部非配体链。

1-100,120 （如输入结构中没有包含链名，可不指定链名，但当有多条链都包含有指定的残基时会报错）
 A:1-100,B:200

Mutations

突变指定，可选项。省略时进入 WT-only 模式（仅计算 WT 的结合自由能）。

mutations.txt文件内容示例：

#A100V （注释行，可省略）
#冒号三字母
A:100:VAL
#单字母目标
A:105:L
# 紧凑写法
SA105L
SERA105L
# 同一突变体的多点突变
A:100:VAL,A:105:LEU

备注：
1.SA105L中S为突变前残基，A为链名，105为残基UID编号，L为突变后残基
2.如果Input File中没有链名，可以不指定链名，如100:VAL（表示第100个残基突变为VAL），但当有多条链都包含有指定的突变残基时会报错

Mutation Residues

突变扫描位点，可选项。与 Mutation Targets 配合使用（必须成对给出），自动展开为一系列独立的单点突变体（每位点 × 每个目标残基各一个突变体），与 Mutations 互斥。

A:35 （链+残基号）
35 （只给残基号，链自动识别；该残基存在于多条链时报错）
A （整条链的全部可突变残基）
A:30-40 （闭区间残基号范围，范围内不存在的编号自动跳过）
A:35,50,B （逗号分隔，可混合以上写法）

备注：只有标准残基可被扫描（标准氨基酸/DNA/RNA碱基）

Mutation Targets

突变扫描目标残基，可选项。与 Mutation Residues 配合使用（必须成对给出），与 Mutations 互斥。

ALA （单个目标，三字母）
A （单个目标，单字母；按位点类型解析：蛋白位点→氨基酸，DNA/RNA位点→碱基）
ALA,GLU,CYS （多个目标，逗号分隔）
ALL （饱和突变：蛋白位点展开为其余19种氨基酸，核酸位点展开为其余3种碱基）

备注：目标残基与位点原残基相同时自动跳过并提示

Ligand Chains

输入结构的受体链 ID（逗号分隔）。

注意：Ligand Chains、Ligand Residues和Ligand Name参数三选一

Ligand Residues

从输入结构中指定的小分子的名称。

501-520,530 （如Input File中没有包含链名，可不指定链名，但当有多条链都包含有指定的残基时会报错）
B:501-520

Ligand Name

从输入结构中指定的小分子的名称。

RFZ
LIG

Ligand SMILES

小分子配体的 SMILES，可选项。用于确保小分子配体正确的键序和连接性，提供时会先去除配体 H 再进行键序匹配，完成后自动重新添加。（当输入结构没有提供键连关系和键序信息时对小分子配体很难做到准确加H，提供小分子配体的smiles可做到对小分子配体的准确加H）。

Ligand SMILES书写格式:

"OC[C@H]1O[C@@H](n2cnc3cc(Cl)c(Cl)cc32)[C@H](O)[C@@H]1O" （适用于Input File中只含有一种配体的情况）
"RFZ:OC[C@H]1O[C@@H](n2cnc3cc(Cl)c(Cl)cc32)[C@H](O)[C@@H]1O,W2R:O=C(Nc1cccc(Oc2ccc(Nc3ncnc4ccn(CCOCCO)c34)cc2Cl)c1)NC1CCCCC1" （适用于Input File中含有多种配体的情况，以逗号分隔）

Add Hydrogens

控制在结构准备过程中如何处理氢原子。

• --add-hydrogens：默认删除所有H，然后根据pH重建H原子
• --no-add-hydrogens：跳过 H 处理，使用原始输入结构中的H原子，适用于原始输入结构已经进行过H处理的PDB文件

Keep Hydrogens

控制是否保留输入结构中的原始氢原子，可选项。默认删除所有原始氢原子，随后根据设定的 pH 条件重新构建全部氢原子。

• --keep-hydrogens：保留输入结构中原始H原子，仅补缺失的H原子，适用于原始结构中已经包含了部分H原子，但仍然缺失H原子的PDB文件

pH

对输入结构文件进行加氢时参考的pH状态，会根据pH值进行残基的质子化状态判定，默认 7.0

Energy Model

溶剂化模型，控制 PB/GB 静电相互作用的计算方法，必选项，默认 ALPB。

• GB：Generalized Born，广义 Born 模型，适用于一般的溶剂化能计算。
• ALPB：Analytical Linearized Poisson-Boltzmann，解析线性化泊松-玻尔兹曼模型，精度较高，适合需要更准确静电相互作用的场景。
• CHAGB：Charge-Dependent GB，电荷依赖型 GB 模型，考虑原子电荷变化对溶剂化的影响。
• CHAGBCAN：Charge-Dependent GB with canonical radii，使用标准原子半径的电荷依赖型 GB 模型。

Inradii

溶剂化半径，可选项

• inpqr：使用 PQR 文件中的 BONDI 半径
• bestgb：使用 GB 优化半径
• chagb：使用 CHAGB 专用半径（仅限 CHAGB/CHAGBCAN 模型）

Ele Corr

启用 Debye-Huckel 静电屏蔽校正，默认关闭（不进行静电能校正）

Temp

温度 (K)，默认 298.15

Min Tolerance

能量最小化收敛精度 (kJ/mol/nm)，默认 1.0，值越小越精确。

Max Steps

能量最小化最大迭代步数，默认 5000。

Restraint Force

骨架位置限制力常数 (kJ/mol/nm^2)，默认 100.0，设为 0 表示不对骨架位置进行限制。

Output

结果输出文件，可选项，默认mutations.csv

结果说明

1. 突变能输出到mutations.csv文件中
   包含信息如下：

如果未指定突变，则进入WT-Only模式，csv文件中只有输入结构的结合自由能

mutations.csv:
mutation,WT_G_bind,MUT_G_bind,DDG
WT-only,-15.2300,N/A,N/A

2. 突变前后对应的PDB结构文件

如何理解结果

1. DDG > 0：突变削弱结合（不利突变）
2. DDG < 0：突变增强结合（有利突变）

注意事项

1. 修饰残基：修饰残基嵌入蛋白链或者核酸链时会报错
2. 缺失残基：PDB 中存在残基编号间隙但缺少 SEQRES 记录时会报错
3. 突变支持：支持蛋白质残基突变（标准氨基酸）和核酸残基突变（DNA/RNA）
4. 配体指定：--ligand-chains、--ligand-residues、--ligand-name 三选一，至少提供一个
5. 小分子 SMILES：强烈建议提供 --ligand-smiles 以确保正确的键序和连接性

参考文献

• Friedrichs M. S., et al. Accelerating molecular dynamic simulations on graphics processing units[J]. J. Comput. Chem., 2009, 30: 864-872.DOI: 10.1002/jcc.21209
• Eastman P., Pande V. S. Efficient nonbonded interactions for molecular dynamics on a graphics processing unit[J]. J. Comput. Chem., 2010, 31: 1268-1272.DOI: 10.1002/jcc.21413
• Eastman P., Pande V. S. Constant constraint matrix approximation: A robust, parallelizable constraint method for molecular simulations[J]. J. Chem. Theor. Comput., 2010, 6: 434-437.DOI: 10.1021/ct900463w
• Eastman P., et al. OpenMM 8: Molecular Dynamics Simulation with Machine Learning Potentials[J]. J. Phys. Chem. B, 2023, 128: 109-116.DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c06662