ISPRED4: interaction sites PREDiction in protein structures with a refining grammar model

The identification of protein-protein interaction (PPI) sites is an important step towards the characterization of protein functional integration in the cell complexity. Experimental methods are costly and time-consuming and computational tools for predicting PPI sites can fill the gaps of PPI present knowledge. We present ISPRED4, an improved structure-based predictor of PPI sites on unbound monomer surfaces. ISPRED4 relies on machine-learning methods and it incorporates features extracted from protein sequence and structure. Cross-validation experiments are carried out on a new dataset that includes 151 high-resolution protein complexes and indicate that ISPRED4 achieves a per-residue Matthew Correlation Coefficient of 0.48 and an overall accuracy of 0.85. Benchmarking results show that ISPRED4 is one of the top-performing PPI site predictors developed so far

Addressing the unmet need for visualizing Conditional Random Fields in Biological Data

Background: The biological world is replete with phenomena that appear to be ideally modeled and analyzed by one archetypal statistical framework - the Graphical Probabilistic Model (GPM). The structure of GPMs is a uniquely good match for biological problems that range from aligning sequences to modeling the genome-to-phenome relationship. The fundamental questions that GPMs address involve making decisions based on a complex web of interacting factors. Unfortunately, while GPMs ideally fit many questions in biology, they are not an easy solution to apply. Building a GPM is not a simple task for an end user. Moreover, applying GPMs is also impeded by the insidious fact that the complex web of interacting factors inherent to a problem might be easy to define and also intractable to compute upon. Discussion: We propose that the visualization sciences can contribute to many domains of the bio-sciences, by developing tools to address archetypal representation and user interaction issues in GPMs, and in particular a variety of GPM called a Conditional Random Field(CRF). CRFs bring additional power, and additional complexity, because the CRF dependency network can be conditioned on the query data. Conclusions: In this manuscript we examine the shared features of several biological problems that are amenable to modeling with CRFs, highlight the challenges that existing visualization and visual analytics paradigms induce for these data, and document an experimental solution called StickWRLD which, while leaving room for improvement, has been successfully applied in several biological research projects.Comment: BioVis 2014 conferenc

Development and application of fast fuzzy pharmacophore-based virtual screening methods for scaffold hopping

The goal of this thesis was the development, evaluation and application of novel virtual screening approaches for the rational compilation of high quality pharmacological screening libraries. The criteria for a high quality were a high probability of the selected molecules to be active compared to randomly selected molecules and diversity in the retrieved chemotypes of the selected molecules to be prepared for the attrition of single lead structures. For the latter criterion the virtual screening approach had to perform “scaffold hopping”. The first molecular descriptor that was explicitly reported for that purpose was the topological pharmacophore CATS descriptor, representing a correlation vector (CV) of all pharmacophore points in a molecule. The representation is alignment-free and thus renders fast screening of large databases feasible. In a first series of experiments the CATS descriptor was conceptually extended to the three-dimensional pharmacophore-pair CATS3D descriptor and the molecular surface based SURFCATS descriptor. The scaling of the CATS3D descriptor, the combination of CATS3D with different similarity metrics and the dependence of the CATS3D descriptor on the threedimensional conformations of the molecules in the virtual screening database were evaluated in retrospective screening experiments. The “scaffold hopping” capabilities of CATS3D and SURFCATS were compared to CATS and the substructure fingerprint MACCS keys. Prospective virtual screening with CATS3D similarity searching was applied for the TAR RNA and the metabotropic glutamate receptor 5 (mGlur5). A combination of supervised and unsupervised neural networks trained on CATS3D descriptors was applied prospectively to compile a focused but still diverse library of mGluR5 modulators. In a second series of experiments the SQUID fuzzy pharmacophore model method was developed, that was aimed to provide a more general query for virtual screening than the CATS family descriptors. A prospective application of the fuzzy pharmacophore models was performed for TAR RNA ligands. In a last experiment a structure-/ligand-based pharmacophore model was developed for taspase1 based on a homology model of the enzyme. This model was applied prospectively for the screening for the first inhibitors of taspase1. The effect of different similarity metrics (Euc: Euclidean distance, Manh: Manhattan distance and Tani: Tanimoto similarity) and different scaling methods (unscaled, scaling1: scaling by the number of atoms, and scaling2: scaling by the added incidences of potential pharmacophore points of atom pairs) on CATS3D similarity searching was evaluated in retrospective virtual screening experiments. 12 target classes of the COBRA database of annotated ligands from recent scientific literature were used for that purpose. Scaling2, a new development for the CATS3D descriptor, was shown to perform best on average in combination with all three similarity metrics (enrichment factor ef (1%): Manh = 11.8 ± 4.3, Euc = 11.9 ± 4.6, Tani = 12.8 ± 5.1). The Tanimoto coefficient was found to perform best with the new scaling method. Using the other scaling methods the Manhattan distance performed best (ef (1%): unscaled: Manh = 9.6 ± 4.0, Euc = 8.1 ± 3.5, Tani = 8.3 ± 3.8; scaling1: Manh = 10.3 ± 4.1, Euc = 8.8 ± 3.6, Tani = 9.1 ± 3.8). Since CATS3D is independent of an alignment, the dependence of a “receptor relevant” conformation might also be weaker compared to other methods like docking. Using such methods might be a possibility to overcome problems like protein flexibility or the computational expensive calculation of many conformers. To test this hypothesis, co-crystal structures of 11 target classes served as queries for virtual screening of the COBRA database. Different numbers of conformations were calculated for the COBRA database. Using only a single conformation already resulted in a significant enrichment of isofunctional molecules on average (ef (1%) = 6.0 ± 6.5). This observation was also made for ligand classes with many rotatable bonds (e.g. HIV-protease: 19.3 ± 6.2 rotatable bonds in COBRA, ef (1%) = 12.2 ± 11.8). On average only an improvement from using the maximum number of conformations (on average 37 conformations / molecule) to using single conformations of 1.1 fold was found. It was found that using more conformations actives and inactives equally became more similar to the reference compounds according to the CATS3D representations. Applying the same parameters as before to calculate conformations for the crystal structure ligands resulted in an average Cartesian RMSD of the single conformations to the crystal structure conformations of 1.7 ± 0.7 Å. For the maximum number of conformations, the RMSD decreased to 1.0 ± 0.5 Å (1.8 fold improvement on average). To assess the virtual screening performance and the scaffold hopping potential of CATS3D and SURFACATS, these descriptors were compared to CATS and the MACCS keys, a fingerprint based on exact chemical substructures. Retrospective screening of ten classes of the COBRA database was performed. According to the average enrichment factors the MACCS keys performed best (ef (1%): MACCS = 17.4 ± 6.4, CATS = 14.6 ± 5.4, CATS3D = 13.9 ± 4.9, SURFCATS = 12.2 ± 5.5). The classes, where MACCS performed best, consisted of a lower average fraction of different scaffolds relative to the number of molecules (0.44 ± 0.13), than the classes, where CATS performed best (0.65 ± 0.13). CATS3D was the best performing method for only a single target class with an intermediate fraction of scaffolds (0.55). SURFCATS was not found to perform best for a single class. These results indicate that CATS and the CATS3D descriptors might be better suited to find novel scaffolds than the MACCS keys. All methods were also shown to complement each other by retrieving scaffolds that were not found by the other methods. A prospective evaluation of CATS3D similarity searching was done for metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) allosteric modulators. Seven known antagonists of mGluR5 with sub-micromolar IC50 were used as reference ligands for virtual screening of the 20,000 most drug-like compounds – as predicted by an artificial neural network approach – of the Asinex vendor database (194,563 compounds). Eight of 29 virtual screening hits were found with a Ki below 50 µM in a binding assay. Most of the ligands were only moderately specific for mGluR5 (maximum of > 4.2 fold selectivity) relative to mGluR1, the most similar receptor to mGluR5. One ligand exhibited even a better Ki for mGluR1 than for mGluR5 (mGluR5: Ki > 100 µM, mGluR1: Ki = 14 µM). All hits had different scaffolds than the reference molecules. It was demonstrated that the compiled library contained molecules that were different from the reference structures – as estimated by MACCS substructure fingerprints – but were still considered isofunctional by both CATS and CATS3D pharmacophore approaches. Artificial neural networks (ANN) provide an alternative to similarity searching in virtual screening, with the advantage that they incorporate knowledge from a learning procedure. A combination of artificial neural networks for the compilation of a focused but still structurally diverse screening library was employed prospectively for mGluR5. Ensembles of neural networks were trained on CATS3D representations of the training data for the prediction of “mGluR5-likeness” and for “mGluR5/mGluR1 selectivity”, the most similar receptor to mGluR5, yielding Matthews cc between 0.88 and 0.92 as well as 0.88 and 0.91 respectively. The best 8,403 hits (the focused library: the intersection of the best hits from both prediction tasks) from virtually ranking the Enamine vendor database (ca. 1,000,000 molecules), were further analyzed by two self-organizing maps (SOMs), trained on CATS3D descriptors and on MACCS substructure fingerprints. A diverse and representative subset of the hits was obtained by selecting the most similar molecules to each SOM neuron. Binding studies of the selected compounds (16 molecules from each map) gave that three of the molecules from the CATS3D SOM and two of the molecules from the MACCS SOM showed mGluR5 binding. The best hit with a Ki of 21 µM was found in the CATS3D SOM. The selectivity of the compounds for mGluR5 over mGluR1 was low. Since the binding pockets in the two receptors are similar the general CATS3D representation might not have been appropriate for the prediction of selectivity. In both SOMs new active molecules were found in neurons that did not contain molecules from the training set, i. e. the approach was able to enter new areas of chemical space with respect to mGluR5. The combination of supervised and unsupervised neural networks and CATS3D seemed to be suited for the retrieval of dissimilar molecules with the same class of biological activity, rather than for the optimization of molecules with respect to activity or selectivity. A new virtual screening approach was developed with the SQUID (Sophisticated Quantification of Interaction Distributions) fuzzy pharmacophore method. In SQUID pairs of Gaussian probability densities are used for the construction of a CV descriptor. The Gaussians represent clusters of atoms comprising the same pharmacophoric feature within an alignment of several active reference molecules. The fuzzy representation of the molecules should enhance the performance in scaffold hopping. Pharmacophore models with different degrees of fuzziness (resolution) can be defined which might be an appropriate means to compensate for ligand and receptor flexibility. For virtual screening the 3D distribution of Gaussian densities is transformed into a two-point correlation vector representation which describes the probability density for the presence of atom-pairs, comprising defined pharmacophoric features. The fuzzy pharmacophore CV was used to rank CATS3D representations of molecules. The approach was validated by retrospective screening for cyclooxygenase 2 (COX-2) and thrombin ligands. A variety of models with different degrees of fuzziness were calculated and tested for both classes of molecules. Best performance was obtained with pharmacophore models reflecting an intermediate degree of fuzziness. Appropriately weighted fuzzy pharmacophore models performed better in retrospective screening than CATS3D similarity searching using single query molecules, for both COX-2 and thrombin (ef (1%): COX-2: SQUID = 39.2., best CATS3D result = 26.6; Thrombin: SQUID = 18.0, best CATS3D result = 16.7). The new pharmacophore method was shown to complement MOE pharmacophore models. SQUID fuzzy pharmacophore and CATS3D virtual screening were applied prospectively to retrieve novel scaffolds of RNA binding molecules, inhibiting the Tat-TAR interaction. A pharmacophore model was built up from one ligand (acetylpromazine, IC50 = 500 µM) and a fragment of another known ligand (CGP40336A), which was assumed to bind with a comparable binding mode as acetylpromazine. The fragment was flexible aligned to the TAR bound NMR conformation of acetylpromazine. Using an optimized SQUID pharmacophore model the 20,000 most druglike molecules from the SPECS database (229,658 compounds) were screened for Tat-TAR ligands. Both reference inhibitors were also applied for CATS3D similarity searching. A set of 19 molecules from the SQUID and CATS3D results was selected for experimental testing. In a fluorescence resonance energy transfer (FRET) assay the best SQUID hit showed an IC50 value of 46 µM, which represents an approximately tenfold improvement over the reference acetylpromazine. The best hit from CATS3D similarity searching showed an IC50 comparable to acetylpromazine (IC50 = 500 µM). Both hits contained different molecular scaffolds than the reference molecules. Structure-based pharmacophores provide an alternative to ligand-based approaches, with the advantage that no ligands have to be known in advance and no topological bias is introduced. The latter is e.g. favorable for hopping from peptide-like substrates to drug-like molecules. A homology model of the threonine aspartase taspase1 was calculated based on the crystal structures of a homologous isoaspartyl peptidase. Docking studies of the substrate with GOLD identified a binding mode where the cleaved bond was situated directly above the reactive N-terminal threonine. The predicted enzyme-substrate complex was used to derive a pharmacophore model for virtual screening for novel taspase1 inhibitors. 85 molecules were identified from virtual screening with the pharmacophore model as potential taspase1- inhibitors, however biochemical data was not available before the end of this thesis. In summary this thesis demonstrated the successful development, improvement and application of pharmacophore-based virtual screening methods for the compilation of molecule-libraries for early phase drug development. The highest potential of such methods seemed to be in scaffold hopping, the non-trivial task of finding different molecules with the same biological activity.Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung, Untersuchung und Anwendung von neuen virtuellen Screening-Verfahren für den rationalen Entwurf hoch-qualitativer Molekül-Datenbanken für das pharmakologische Screening. Anforderung für eine hohe Qualität waren eine hohe a priori Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein aktiver Moleküle im Vergleich zu zufällig zusammengestellten Bibliotheken, sowie das Vorhandensein einer Vielfalt unterschiedlicher Grundstrukturen unter den selektierten Molekülen, um gegen den Ausfall einzelner Leitstrukturen in der weiteren Entwicklung abgesichert zu sein. Notwendig für die letztere Eigenschaft ist die Fähigkeit eines Verfahrens zum „Grundgerüst-Springen“. Der erste Molekül-Deskriptor, der explizit für das „Grundgerüst-Springen“ eingesetzt wurde war der CATS Deskriptor – ein topologischer Korrelations-Vektor („correlation vector“, CV) über alle Pharmakophor-Punkte eines Moleküls. Der Vergleich von Molekülen über den CATS Deskriptor geschieht ohne eine Überlagerung der Moleküle, was den effizienten Einsatz solcher Verfahren für sehr große Molekül-Datenbanken ermöglicht. In einer ersten Serie von Versuchen wurde der CATS Deskriptor erweitert zu dem dreidimensionalen CATS3D Deskriptor und dem auf der Molekül-Oberfläche basierten SURFCATS Deskriptor. In retrospektiven Studien wurde für diese Deskriptoren der Einfluss verschiedener Skalierungs-Methoden, die Kombination mit unterschiedlichen Ähnlichkeits- Metriken und die Auswirkung verschiedener dreidimensionaler Konformationen untersucht. Weiter wurden das Potential der entwickelten Deskriptoren CATS3D und SURFCATS im „Grundgerüst-Springen“ mit CATS und dem Substruktur-Fingerprint MACCS keys verglichen. Prospektive Anwendungen der CATS3D Ähnlichkeitssuche wurden für die TARRNA und den metabotropen Glutamat Rezeptor 5 (mGluR5) durchgeführt. Eine Kombination von überwachten und unüberwachten neuronalen Netzen wurde prospektiv für die Zusammenstellung einer fokussierten aber dennoch diversen Bibliothek von mGluR5 Modulatoren eingesetzt. In einer zweiten Reihe von Versuchen wurde der SQUID Fuzzy Pharmakophor Ansatz entwickelt, mit dem Ziel zu einer noch generelleren Molekül- Beschreibung als mit den Deskriptoren aus der CATS Familie zu gelangen. Eine prospektive Anwendung der „Fuzzy Pharmakophor“ Methode wurde für die TAR-RNA durchgeführt. In einem letzten Versuch wurde für Taspase1 ein Struktur-/Liganden-basiertes Pharmakophor- Modell auf der Grundlage eines Homologie-Modells des Enzyms entwickelt. Dieses wurde für das prospektive Screening nach Taspase1-Inhibitoren eingesetzt. Der Einfluss verschiedener Ähnlichkeits-Metriken (Euk: Euklidische Distanz, Manh: Manhattan Distanz, Tani: Tanimoto Ähnlichkeit) und verschiedener Skalierungs-Methoden (Ohne-Skalierung, Skalierung1: Skalierung aller Werte nach der Anzahl Atome, Skalierung2: Skalierung der Werte eines Paares von Pharmakophor-Punkten entsprechend der Summe aller Pharmakophor-Punkte mit denselben Pharmakophor-Typen) auf die Ähnlichkeits-Suche mit CATS3D wurde in retrospektiven virtuellen Screening Experimenten untersucht. Für diesen Zweck wurden 12 verschiedene Klassen von Rezeptoren und Enzymen aus der COBRA Datenbank von annotierten Liganden aus der jüngeren wissenschaftlichen Literatur eingesetzt. Skalierung2, eine neue Entwicklung für CATS3D, zeigte im Durchschnitt die beste Performanz in Kombination mit allen drei Ähnlichkeits-Metriken (Anreicherungs-Faktor ef (1%): Manh = 11,8 ± 4,3; Euk = 11,9 ± 4,6; Tani = 12,8 ± 5,1). Die Kombination von Skalierung2 mit dem Tanimoto Ähnlichkeits-Koeffizienten lieferte die besten Ergebnisse. In Kombination mit den anderen Skalierungen brachte die Manhattan Distanz die besten Ergebnisse (ef (1%): Ohne-Skalierung: Manh = 9,6 ± 4,0; Euk = 8,1 ± 3,5; Tani = 8,3 ± 3,8; Skalierung1: Manh = 10,3 ± 4,1; Euk = 8,8 ± 3,6; Tani = 9,1 ± 3,8). Da die CATS3D Ähnlichkeits-Suche unabhängig von der Überlagerung einzelner Moleküle ist, könnte ebenfalls eine gewisse Unabhängigkeit von der vorhandenen 3D Konformation bestehen. Eine solche Unabhängigkeit wäre interessant um die zeitaufwendige Berechnung multipler Konformationen zu umgehen. Um diese Hypothese zu untersuchen wurden Co-Kristalle von Liganden aus 11 Klassen von Rezeptoren und Enzymen ausgewählt, um als Anfrage-Strukturen im virtuellen Screening in der COBRA Datenbank zu dienen. Verschiedene Versionen der COBRA Datenbank mit unterschiedlicher Anzahl Konformationen wurden berechnet. Bereits mit einer einzigen Konformation pro Molekül konnte im Mittel eine deutliche Anreicherung an aktiven Molekülen beobachte werden (ef (1%) = 6,0 ± 6,5). Diese Beobachtung beinhaltete auch Klassen von Molekülen mit vielen rotierbaren Bindungen. (z.B. HIV-Protease: 19,3 ± 6,2 rotierbare Bindungen in COBRA, ef (1%) = 12,2 ± 11,8). Im Mittel konnten dazu bei Verwendung der maximalen Anzahl Konformationen (durchschnittlich 37 Konformationen / Molekül) nur eine Verbesserung von 1.1 festgestellt werden. Nach der CATS3D Ähnlichkeit wurden die inaktiven Moleküle im gleichen Maß ähnlicher zu den Referenzen als die aktiven Moleküle. Zum Vergleich konnte durch Verwendung multipler statt einzelner Konformationen eine 1,8-fache Verbesserung des RMSD zu den Konformationen aus den Kristall-Struktur Konformationen erreicht werden (einzelne Konformationen: 1,7 ± 0,7 Å; max. Konformationen: 1,0 ± 0,5 Å). Um die Leistungsfähigkeit von CATS3D und SURFCATS im virtuellen Screening und im Grundgerüst-Springen zu beurteilen, wurden diese Deskriptoren mit CATS und den MACCS keys, einem Fingerprint basierend auf exakten chemischen Substrukturen, verglichen. Für die retrospektive Analyse wurden 10 Klassen von Rezeptoren und Enzymen aus der COBRA Datenbank ausgewählt. Nach den mittleren Anreicherungs-Faktoren ergaben sich für MACCS die besten Resultate (ef (1%): MACCS = 17,4 ± 6,4; CATS = 14,6 ± 5,4; CATS3D = 13,9 ± 4,9; SURFCATS = 12,2 ± 5,5). Es zeigte sich, dass die Klassen, in denen MACCS die besten Ergebnisse erzielen konnte, einen geringen gemittelten Anteil von verschiedenen Grundgerüsten aufwiesen im Verhältnis zu der Anzahl an Molekülen (0,44 ± 0,13) als die Klassen, in denen CATS am besten war (0,65 ± 0,13). CATS3D war nur in einer Klasse mit einem mittleren Anteil von Grundgerüsten (0,55) die beste Methode. SURFCATS war für keine Klasse besser als alle anderen Methoden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Methoden wie CATS und CATS3D besser geeignet sind, um neue Grundgerüste zu finden. Es konnte weiter gezeigt werden, dass sich die Methoden einander ergänzen, dass also mit jeder Methode Grundgerüste gefunden werden konnten, die mit keiner der anderen Methoden gefunden werden konnten. Eine prospektive Anwendung wurde für CATS3D in der Suche nach neuen allosterischen Modulatoren des metabotropen Glutamat Rezeptors 5 (mGluR5) durchgeführt. Sieben bekannte allosterische mGluR5 Antagonisten mit sub-mikromolaren IC50 Werten wurde als Referenzen eingesetzt. Das virtuelle Screening wurde auf den 20.000 von einem künstlichen neuronalen Netz als am wirkstoff-artigsten vorhergesagten Molekülen der Asinex Datenbank (194.563 Moleküle) durchgeführt. Acht der 29 gefundenen Hits aus dem virtuellen Screening zeigten Ki Werte unter 50 µM in einem Bindungs-Assay. Die Mehrheit der Liganden zeigte nur eine geringe Selektivität (Maximum > 4,2-fach) gegenüber mGluR1, dem ähnlichsten Rezeptor zu mGluR5. Einer der Liganden zeigte einen besseren Ki für mGluR1 als für mGluR5 (mGluR5: Ki > 100 µM, mGluR1: Ki = 14 µM). Alle gefundenen Moleküle zeigten verschiedene Grundgerüste als die Referenz Moleküle. Es konnte gezeigt werden, dass die zusammengestellte Bibliothek von den MACCS keys als unterschiedlich zu den Referenz Strukturen betrachtet wurden, von CATS und CATS3D aber noch als isofunktional betracht wurden. Künstliche neuronal Netze („artificial neural net“, ANN) bieten eine Alternative zur Ähnlichkeits-Suche im virtuellen Screening mit dem Vorteil, dass in einer Serie von Liganden enthaltenes implizites Wissen über eine Lernprozedur in ein Modell integrierte werden kann. Eine Kombination von ANNs für die Zusammenstellung einer fokussierten aber dennoch diversen Molekül-Bibliothek wurde prospektiv für die Suche nach mGluR5 Antagonisten eingesetzt. Gruppen von ANNs wurden auf den Basis von CATS3D Repräsentationen für die Vorhersage von „mGluR5-artigkeit“ und „mGluR5/mGluR1 Selektivität“ trainiert. Dabei ergaben sich Matthews cc zwischen 0,88 und 0,92 sowie zwischen 0,88 und 0,91. Die besten 8.403 Hits (die Schnittmenge der besten Hits aus beiden Vorhersagen) aus einem virtuellen Screening der Enamine Datenbank (ca. 1.000.000 Moleküle) ergab die fokussierte Bibliothek. Diese wurde weiter mit Selbstor

Progress and challenges in predicting protein interfaces

*These authors contributed equally to this work. The majority of biological processes are mediated via protein–protein interactions. Determination of residues participating in such interactions improves our understanding of molecular mechanisms and facilitates the development of therapeutics. Experimental approaches to identifying interacting residues, such as mutagenesis, are costly and time-consuming and thus, computational methods for this purpose could streamline conventional pipelines. Here we review the field of computational protein interface prediction. We make a distinction between methods which address proteins in general and those targeted at antibodies, owing to the radically different binding mechanism of antibodies. We organize the multitude of currently available methods hierarchically based on required input and prediction principles to provide an overview of the field. Key words: protein–protein interaction; protein interface prediction; antibody antigen interaction Protein interfaces Proteins interact with other proteins, DNA, RNA and small mol-ecules to perform their cellular tasks. Knowledge of protein interfaces and the residues involved is vital to fully understand molecular mechanisms and to identify potential drug target

Probabilistic models for protein conformational changes

Proteins are macromolecules that perform multiple functions. They are not rigid molecules, but instead proteins can change their conformation to perform critical tasks driven by binding small ligands, by assembling into large macromolecular complexes or by physiological factors. Characterization of protein conformational change and analyzing transitional pathways along protein conformational states are essentially tasks for computational biology. Here we propose probabilistic models to characterize protein conformational change. The first model disentangles protein structure into rigid bodies, whereas the second model proposes the probabilistic network model for the transitions between conformational states. Our first model is a generative process using Gaussian mixture models to represent rigid domains, which generated the input structures through spatial transformation. To estimate our model parameters, we use two approaches: using deterministic Expectation- Maximization algorithm and stochastic Gibbs sampler. The second model is an elastic way to expand the application spectrum of our model. The model uses anharmonic springs that involve the molecular distances that are allowed to break in a stochastic fashion. The function of the spring potential is inferred from a statistical analysis of a database of large-scale conformational changes in proteins. In addition we deploy our model in a webservice, as well as we deposit a precomputed dataset of rigid domains and a selective dataset of conformational pathway between conformational states. Finally, we employ graph-based algorithms to solve the problem of a model-free base solution. This work is not limited to biological applications, but can also be applied to robotics and computer vision. This thesis is based on the following publications and manuscripts, respectively: • Thach Nguyen, Michael Habeck, A probabilistic model for detecting rigid domains in protein structures, Bioinformatics, Volume 32, Issue 17, 1 September 2016, Pages i710–i717, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btw442 • Habeck M, Nguyen T. A probabilistic network model for structural transitions in biomolecules.Proteins. 2018;86:634–643.https://doi.org/10.1002/prot.25490 • Linh Dang, Thach Nguyen, Michael Habeck, and StephanWaack. A graph-based algorithm for detecting rigid domains in protein structures. Submitted • Thach Nguyen, Christian Böhm, Michael Habeck, A computational web server for segmenting protein structure into rigid bodies, in preparation

Virtual screening of potential bioactive substances using the support vector machine approach

Die vorliegende Dissertation stellt eine kumulative Arbeit dar, die in insgesamt acht wissenschaftlichen Publikationen (fünf publiziert, zwei eingerichtet und eine in Vorbereitung) dargelegt ist. In diesem Forschungsprojekt wurden Anwendungen von maschinellem Lernen für das virtuelle Screening von Moleküldatenbanken durchgeführt. Das Ziel war primär die Einführung und Überprüfung des Support-Vector-Machine (SVM) Ansatzes für das virtuelle Screening nach potentiellen Wirkstoffkandidaten. In der Einleitung der Arbeit ist die Rolle des virtuellen Screenings im Wirkstoffdesign beschrieben. Methoden des virtuellen Screenings können fast in jedem Bereich der gesamten pharmazeutischen Forschung angewendet werden. Maschinelles Lernen kann einen Einsatz finden von der Auswahl der ersten Moleküle, der Optimierung der Leitstrukturen bis hin zur Vorhersage von ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Toxicity) Eigenschaften. In Abschnitt 4.2 werden möglichen Verfahren dargestellt, die zur Beschreibung von chemischen Strukturen eingesetzt werden können, um diese Strukturen in ein Format zu bringen (Deskriptoren), das man als Eingabe für maschinelle Lernverfahren wie Neuronale Netze oder SVM nutzen kann. Der Fokus ist dabei auf diejenigen Verfahren gerichtet, die in der vorliegenden Arbeit verwendet wurden. Die meisten Methoden berechnen Deskriptoren, die nur auf der zweidimensionalen (2D) Struktur basieren. Standard-Beispiele hierfür sind physikochemische Eigenschaften, Atom- und Bindungsanzahl etc. (Abschnitt 4.2.1). CATS Deskriptoren, ein topologisches Pharmakophorkonzept, sind ebenfalls 2D-basiert (Abschnitt 4.2.2). Ein anderer Typ von Deskriptoren beschreibt Eigenschaften, die aus einem dreidimensionalen (3D) Molekülmodell abgeleitet werden. Der Erfolg dieser Beschreibung hangt sehr stark davon ab, wie repräsentativ die 3D-Konformation ist, die für die Berechnung des Deskriptors angewendet wurde. Eine weitere Beschreibung, die wir in unserer Arbeit eingesetzt haben, waren Fingerprints. In unserem Fall waren die verwendeten Fingerprints ungeeignet zum Trainieren von Neuronale Netzen, da der Fingerprintvektor zu viele Dimensionen (~ 10 hoch 5) hatte. Im Gegensatz dazu hat das Training von SVM mit Fingerprints funktioniert. SVM hat den Vorteil im Vergleich zu anderen Methoden, dass sie in sehr hochdimensionalen Räumen gut klassifizieren kann. Dieser Zusammenhang zwischen SVM und Fingerprints war eine Neuheit, und wurde von uns erstmalig in die Chemieinformatik eingeführt. In Abschnitt 4.3 fokussiere ich mich auf die SVM-Methode. Für fast alle Klassifikationsaufgaben in dieser Arbeit wurde der SVM-Ansatz verwendet. Ein Schwerpunkt der Dissertation lag auf der SVM-Methode. Wegen Platzbeschränkungen wurde in den beigefügten Veröffentlichungen auf eine detaillierte Beschreibung der SVM verzichtet. Aus diesem Grund wird in Abschnitt 4.3 eine vollständige Einführung in SVM gegeben. Darin enthalten ist eine vollständige Diskussion der SVM Theorie: optimale Hyperfläche, Soft-Margin-Hyperfläche, quadratische Programmierung als Technik, um diese optimale Hyperfläche zu finden. Abschnitt 4.3 enthält auch eine Diskussion von Kernel-Funktionen, welche die genaue Form der optimalen Hyperfläche bestimmen. In Abschnitt 4.4 ist eine Einleitung in verschiede Methoden gegeben, die wir für die Auswahl von Deskriptoren genutzt haben. In diesem Abschnitt wird der Unterschied zwischen einer „Filter“- und der „Wrapper“-basierten Auswahl von Deskriptoren herausgearbeitet. In Veröffentlichung 3 (Abschnitt 7.3) haben wir die Vorteile und Nachteile von Filter- und Wrapper-basierten Methoden im virtuellen Screening vergleichend dargestellt. Abschnitt 7 besteht aus den Publikationen, die unsere Forschungsergebnisse enthalten. Unsere erste Publikation (Veröffentlichung 1) war ein Übersichtsartikel (Abschnitt 7.1). In diesem Artikel haben wir einen Gesamtüberblick der Anwendungen von SVM in der Bio- und Chemieinformatik gegeben. Wir diskutieren Anwendungen von SVM für die Gen-Chip-Analyse, die DNASequenzanalyse und die Vorhersage von Proteinstrukturen und Proteininteraktionen. Wir haben auch Beispiele beschrieben, wo SVM für die Vorhersage der Lokalisation von Proteinen in der Zelle genutzt wurden. Es wird dabei deutlich, dass SVM im Bereich des virtuellen Screenings noch nicht verbreitet war. Um den Einsatz von SVM als Hauptmethode unserer Forschung zu begründen, haben wir in unserer nächsten Publikation (Veröffentlichung 2) (Abschnitt 7.2) einen detaillierten Vergleich zwischen SVM und verschiedenen neuronalen Netzen, die sich als eine Standardmethode im virtuellen Screening etabliert haben, durchgeführt. Verglichen wurde die Trennung von wirstoffartigen und nicht-wirkstoffartigen Molekülen („Druglikeness“-Vorhersage). Die SVM konnte 82% aller Moleküle richtig klassifizieren. Die Klassifizierung war zudem robuster als mit dreilagigen feedforward-ANN bei der Verwendung verschiedener Anzahlen an Hidden-Neuronen. In diesem Projekt haben wir verschiedene Deskriptoren zur Beschreibung der Moleküle berechnet: Ghose-Crippen Fragmentdeskriptoren [86], physikochemische Eigenschaften [9] und topologische Pharmacophore (CATS) [10]. Die Entwicklung von weiteren Verfahren, die auf dem SVM-Konzept aufbauen, haben wir in den Publikationen in den Abschnitten 7.3 und 7.8 beschrieben. Veröffentlichung 3 stellt die Entwicklung einer neuen SVM-basierten Methode zur Auswahl von relevanten Deskriptoren für eine bestimmte Aktivität dar. Eingesetzt wurden die gleichen Deskriptoren wie in dem oben beschriebenen Projekt. Als charakteristische Molekülgruppen haben wir verschiedene Untermengen der COBRA Datenbank ausgewählt: 195 Thrombin Inhibitoren, 226 Kinase Inhibitoren und 227 Faktor Xa Inhibitoren. Es ist uns gelungen, die Anzahl der Deskriptoren von ursprünglich 407 auf ungefähr 50 zu verringern ohne signifikant an Klassifizierungsgenauigkeit zu verlieren. Unsere Methode haben wir mit einer Standardmethode für diese Anwendung verglichen, der Kolmogorov-Smirnov Statistik. Die SVM-basierte Methode erwies sich hierbei in jedem betrachteten Fall als besser als die Vergleichsmethoden hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit bei der gleichen Anzahl an Deskriptoren. Eine ausführliche Beschreibung ist in Abschnitt 4.4 gegeben. Dort sind auch verschiedene „Wrapper“ für die Deskriptoren-Auswahl beschrieben. Veröffentlichung 8 beschreibt die Anwendung von aktivem Lernen mit SVM. Die Idee des aktiven Lernens liegt in der Auswahl von Molekülen für das Lernverfahren aus dem Bereich an der Grenze der verschiedenen zu unterscheidenden Molekülklassen. Auf diese Weise kann die lokale Klassifikation verbessert werden. Die folgenden Gruppen von Moleküle wurden genutzt: ACE (Angiotensin converting enzyme), COX2 (Cyclooxygenase 2), CRF (Corticotropin releasing factor) Antagonisten, DPP (Dipeptidylpeptidase) IV, HIV (Human immunodeficiency virus) protease, Nuclear Receptors, NK (Neurokinin receptors), PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor), Thrombin, GPCR und Matrix Metalloproteinasen. Aktives Lernen konnte die Leistungsfähigkeit des virtuellen Screenings verbessern, wie sich in dieser retrospektiven Studie zeigte. Es bleibt abzuwarten, ob sich das Verfahren durchsetzen wird, denn trotzt des Gewinns an Vorhersagegenauigkeit ist es aufgrund des mehrfachen SVMTrainings aufwändig. Die Publikationen aus den Abschnitten 7.5, 7.6 und 7.7 (Veröffentlichungen 5-7) zeigen praktische Anwendungen unserer SVM-Methoden im Wirkstoffdesign in Kombination mit anderen Verfahren, wie der Ähnlichkeitssuche und neuronalen Netzen zur Eigenschaftsvorhersage. In zwei Fällen haben wir mit dem Verfahren neuartige Liganden für COX-2 (cyclooxygenase 2) und dopamine D3/D2 Rezeptoren gefunden. Wir konnten somit klar zeigen, dass SVM-Methoden für das virtuelle Screening von Substanzdatensammlungen sinnvoll eingesetzt werden können. Es wurde im Rahmen der Arbeit auch ein schnelles Verfahren zur Erzeugung großer kombinatorischer Molekülbibliotheken entwickelt, welches auf der SMILES Notation aufbaut. Im frühen Stadium des Wirstoffdesigns ist es wichtig, eine möglichst „diverse“ Gruppe von Molekülen zu testen. Es gibt verschiedene etablierte Methoden, die eine solche Untermenge auswählen können. Wir haben eine neue Methode entwickelt, die genauer als die bekannte MaxMin-Methode sein sollte. Als erster Schritt wurde die „Probability Density Estimation“ (PDE) für die verfügbaren Moleküle berechnet. [78] Dafür haben wir jedes Molekül mit Deskriptoren beschrieben und die PDE im N-dimensionalen Deskriptorraum berechnet. Die Moleküle wurde mit dem Metropolis Algorithmus ausgewählt. [87] Die Idee liegt darin, wenige Moleküle aus den Bereichen mit hoher Dichte auszuwählen und mehr Moleküle aus den Bereichen mit niedriger Dichte. Die erhaltenen Ergebnisse wiesen jedoch auf zwei Nachteile hin. Erstens wurden Moleküle mit unrealistischen Deskriptorwerten ausgewählt und zweitens war unser Algorithmus zu langsam. Dieser Aspekt der Arbeit wurde daher nicht weiter verfolgt. In Veröffentlichung 6 (Abschnitt 7.6) haben wir in Zusammenarbeit mit der Molecular-Modeling Gruppe von Aventis-Pharma Deutschland (Frankfurt) einen SVM-basierten ADME Filter zur Früherkennung von CYP 2C9 Liganden entwickelt. Dieser nichtlineare SVM-Filter erreichte eine signifikant höhere Vorhersagegenauigkeit (q2 = 0.48) als ein auf den gleichen Daten entwickelten PLS-Modell (q2 = 0.34). Es wurden hierbei Dreipunkt-Pharmakophordeskriptoren eingesetzt, die auf einem dreidimensionalen Molekülmodell aufbauen. Eines der wichtigen Probleme im computerbasierten Wirkstoffdesign ist die Auswahl einer geeigneten Konformation für ein Molekül. Wir haben versucht, SVM auf dieses Problem anzuwenden. Der Trainingdatensatz wurde dazu mit jeweils mehreren Konformationen pro Molekül angereichert und ein SVM Modell gerechnet. Es wurden anschließend die Konformationen mit den am schlechtesten vorhergesagten IC50 Wert aussortiert. Die verbliebenen gemäß dem SVM-Modell bevorzugten Konformationen waren jedoch unrealistisch. Dieses Ergebnis zeigt Grenzen des SVM-Ansatzes auf. Wir glauben jedoch, dass weitere Forschung auf diesem Gebiet zu besseren Ergebnissen führen kann

Summaries of FY 1997 Research in the Chemical Sciences

The objective of this program is to expand, through support of basic research, knowledge of various areas of chemistry, physics and chemical engineering with a goal of contributing to new or improved processes for developing and using domestic energy resources in an efficient and environmentally sound manner. Each team of the Division of Chemical Sciences, Fundamental Interactions and Molecular Processes, is divided into programs that cover the various disciplines. Disciplinary areas where research is supported include atomic, molecular, and optical physics; physical, inorganic, and organic chemistry; chemical energy, chemical physics; photochemistry; radiation chemistry; analytical chemistry; separations science; heavy element chemistry; chemical engineering sciences; and advanced battery research. However, traditional disciplinary boundaries should not be considered barriers, and multi-disciplinary efforts are encouraged. In addition, the program supports several major scientific user facilities. The following summaries describe the programs

Low molecular weight compounds from mushrooms as potential Bcl-2 inhibitors: docking and virtual screening studies

Mestrado com dupla diplomação com o Institut Superieur de Biotechnologie de MonastirMushrooms have the ability to promote apoptosis in tumor cell lines, but the mechanism of action is not quite well understood. Inhibition of the interaction between Bcl-2 and pro-apoptotic proteins could be an important step that leads to apoptosis. Therefore, the discovery of compounds with the ability to inhibit Bcl-2 is an ongoing research topic in drug discovery. In this study, we started by analyzing Bcl-2 experimental structures that are currently available in Protein Data Bank database. After analysis of the more relevant Bcl-2 structures, 4 were finally selected. An analysis of the best docking methodology was then performed using a cross-docking and re-docking approach while testing 2 docking softwares: AutoDock 4 and AutoDock Vina. Autodock4 provided the best docking results and was selected to perform a virtual screening study applied to a dataset of 40 Low Molecular Weight (LMW) compounds present in mushrooms, using the selected Bcl-2 structures as target. Results suggest that steroid are the more promising family, among the analyzed compounds, and may have the ability to interact with Bcl-2 and this way promoting tumor apoptosis. The steroids that presented lowest estimated binding energy (ΔG) were: Ganodermanondiol, Cerevisterol, Ganoderic Acid X and Lucidenic Lactone; with estimated ΔG values between -8,45 and -8,23 Kcal/mol. A detailed analysis of the docked conformation of these 4 top ranked LMW compounds was also performed and illustrates a plausible interaction between the 4 top raked steroids and Bcl-2, thus substantiating the accuracy of the predicted docked poses. Therefore, tumoral apoptosis promoted by mushroom might be related to Bcl-2 inhibition mediated by steroid family of compounds.Os cogumelos apresentam a capacidade de promover a apoptose em linhas células tumorais, No entanto o seu mecanismo de ação não é completamente conhecido. A inibição da interação entre Bcl-2 e proteínas pro-apoptóticas pode ser um passo importante na iniciação do processo de apoptose tumoral. Por essa razão, a descoberta de compostos que inibam a proteína Bcl-2 é uma área importante na descoberta de novos fármacos antitumorais. Neste estudo, começou-se por analisar as estruturas experimentais de Bcl-2 atualmente presentes na base de estruturas Protein Data Bank. Após análise das estruturas de Bcl-2 mais relevantes, 4 foram escolhidas. Um estudo de “cross-docking” e “re-docking” foi então realizado para escolher a metodologia de “docking” mais adequada. Testaram-se 2 softwares, o AutoDock 4 e o AutoDock Vina, e verificou-se que o AutoDock 4 apresentava melhores resultados, tendo sido o selecionado para realizar os ensaios de “screening” virtual dos 40 compostos de baixo peso molecular presentes em cogumelos, utilizando as 4 estruturas selecionadas. Os resultados obtidos sugerem que os esteroides são a família de compostos mais prometedores de entre as famílias de compostos estudadas. Os esteroides que apresentaram valores de energia de ligação (ΔG) mais baixos foram: Ganodermanondiol, Cerevisterol, Ácido Ganoderico X and Lactona Lucidénica, com valores de ΔG estimado entre -8,45 e -8,23 Kcal/mol. Uma análise detalhada da conformação de ligação foi também realizada dos 4 melhores compostos de baixo peso molecular melhor classificados. Esta análise demonstra um modo de interação plausível entre os compostos e a estrutura da Bcl-2, consubstanciando a eficácia dos resultados obtidos por “docking”. Conclui-se que o processo inibição de apoptose tumoral observada em cogumelos pode estar relacionado com a inibição da Bcl-2 por esteroides presentes nos cogumelos