生物信息學(xué)與藥物設(shè)計

1、生物信息學(xué)與藥物設(shè)計生物信息學(xué)|Bioinformatics（一）生物信息學(xué)與藥物設(shè)計（一）生物信息學(xué)與藥物設(shè)計新藥研究和開發(fā)是一項耗資巨大的工程。過去，每一種新藥從研發(fā)到投入市場平均需要1015年，耗費數(shù)十億美元。生物信息學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用是藥物設(shè)計和新藥研發(fā)。生物信息技術(shù)為藥物研究設(shè)計提供了嶄新的研究思路和手段，已經(jīng)在新藥設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，如初始階段、篩選及藥物設(shè)計，以及新藥開發(fā)階段發(fā)揮著越來越重要的作用。利用強(qiáng)大的計算工具，新藥開發(fā)平均費用降為8億美元，時間則縮短了23年。一、概述生物信息學(xué)|Bioinformatics漫長的新藥研發(fā)歷程漫長的新藥研發(fā)歷程 ( (10-15 y

2、ears) ) 制藥業(yè)屬“ 三高 ” 產(chǎn)業(yè) ( 高投資、高風(fēng)險、高利潤 )！生物信息學(xué)|Bioinformatics一種治療哮喘、過敏性鼻炎的新藥一種治療哮喘、過敏性鼻炎的新藥孟魯司特簡介（英文名：Montelukast ）生物信息學(xué)|Bioinformatics孟魯司特化學(xué)分子結(jié)構(gòu)分子式: C35H36ClNO3S分子量 :608.18功能：為選擇性白三烯為選擇性白三烯D4D4受體拮抗劑受體拮抗劑 ，有阻斷過有阻斷過敏介質(zhì)的作用敏介質(zhì)的作用 。生物信息學(xué)|Bioinformatics（二）生物信息學(xué)與新藥研發(fā)的關(guān)系（二）生物信息學(xué)與新藥研發(fā)的關(guān)系生物信息學(xué)|Bioinformatics生物信

3、息學(xué)|Bioinformatics（三）生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用（三）生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用傳統(tǒng)藥物傳統(tǒng)藥物研發(fā)模式研發(fā)模式新的藥物新的藥物研發(fā)模式研發(fā)模式根據(jù)資根據(jù)資料篩選料篩選合理的合理的藥理模藥理模型型化學(xué)合化學(xué)合成或從成或從天然產(chǎn)天然產(chǎn)物中人物中人工尋找工尋找先導(dǎo)化先導(dǎo)化物的優(yōu)物的優(yōu)化化候選藥候選藥物臨床物臨床評價評價靶點的靶點的識別識別靶點的靶點的證實證實先導(dǎo)化先導(dǎo)化合物的合物的發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化先導(dǎo)化合物的合物的優(yōu)化優(yōu)化臨床評臨床評價價投入投入市場市場投入投入市場市場時間長，花時間長，花費大，藥物費大，藥物作用機(jī)理不作用機(jī)理不明確明確針對性強(qiáng)，針對性強(qiáng)，效果好，周效果好，周期

4、短，研發(fā)期短，研發(fā)投入低投入低3.1 3.1 藥物研發(fā)模式的改藥物研發(fā)模式的改變變生物信息學(xué)|Bioinformatics藥物研發(fā)中，第一步是找到先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)，該化合物能與靶標(biāo)蛋白結(jié)合并能進(jìn)一步發(fā)展成藥。因此，生物大分子和配體的相互作用和識別信息在藥物設(shè)計中極為關(guān)鍵。受實驗條件和資金等因素的限制，隨著大量生物大分子的三維結(jié)構(gòu)被測定，用生物信息學(xué)方法尋找先導(dǎo)化合物越來越受到人們重視。目前常用的幾種方法是： （三）生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用（三）生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用3 32 2先導(dǎo)化臺物的尋找先導(dǎo)化臺物的尋找u三維結(jié)構(gòu)搜尋(threedimensional structure sea

5、rching)u分子對接(molecular docking)u全新藥物設(shè)計(de novo drugdesign)生物信息學(xué)|Bioinformatics生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的意義在于找到病理過程中關(guān)鍵性的分子靶標(biāo)、闡明其結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，從而指導(dǎo)設(shè)計能激活或阻斷生物大分子發(fā)揮其生物功能的治療性藥物，使藥物研發(fā)之路從過去的偶然和盲目中找到正確的研發(fā)方向。生物信息學(xué)|Bioinformatics 二、生物信息學(xué)與新藥研制 未來的藥物研究過程將是未來的藥物研究過程將是基于生物信息基于生物信息 學(xué)學(xué)（bioinformatics)bioinformatics)知識挖掘知識挖掘的過程的過程數(shù)據(jù)處理和

6、數(shù)據(jù)處理和關(guān)聯(lián)分析關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)藥物發(fā)現(xiàn)藥物作用對象作用對象確定靶標(biāo)確定靶標(biāo)分子分子?Rational drug design生物信息學(xué)|Bioinformatics合理藥合理藥物設(shè)計物設(shè)計 新藥研發(fā)新藥研發(fā) 重點領(lǐng)域重點領(lǐng)域生物信息學(xué)|Bioinformatics生物信息學(xué)|Bioinformatics 近年來，人類基因組計劃和蛋白質(zhì)組計劃的開展，為生物醫(yī)藥研究提供豐富的生物學(xué)信息。而在這紛繁復(fù)雜的生物信息中尋找合適的藥物作用靶標(biāo)是生物信息學(xué)的重要目的之一。生物信息學(xué)通過主要在以下幾個方面為藥物設(shè)計提供幫助：確定與疾病相關(guān)的靶標(biāo)；驗證靶標(biāo)的有效性；預(yù)測靶標(biāo)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)；確證藥物的作用機(jī)

7、制；預(yù)測藥物的毒性。新藥發(fā)現(xiàn)如何擺脫大量數(shù)據(jù)的困擾？過去，藥物學(xué)家面臨的主要問題過去，藥物學(xué)家面臨的主要問題如何獲取盡可能多的數(shù)據(jù)，如何獲取盡可能多的數(shù)據(jù)，尋找有潛在藥效生物活性的尋找有潛在藥效生物活性的先導(dǎo)化合物（先導(dǎo)化合物（Leading compounds)Leading compounds)？ 依賴大量的依賴大量的隨機(jī)篩選隨機(jī)篩選（周期長、數(shù)量大周期長、數(shù)量大、花費大、花費大）現(xiàn)在，由于生命科學(xué)進(jìn)入現(xiàn)在，由于生命科學(xué)進(jìn)入組學(xué)時代組學(xué)時代各種生物分支學(xué)科信息的大量各種生物分支學(xué)科信息的大量涌現(xiàn)，藥物學(xué)家面臨的主要問題涌現(xiàn)，藥物學(xué)家面臨的主要問題如何擺脫大量數(shù)據(jù)的困擾，如何擺脫大量數(shù)據(jù)的困

8、擾，更快更好地發(fā)現(xiàn)更快更好地發(fā)現(xiàn)新化合物實體（新化合物實體（New chemical entitiesNew chemical entities，NCENCE）？ 依賴生物信息學(xué)技術(shù)的依賴生物信息學(xué)技術(shù)的虛擬篩選虛擬篩選（Virtual screeningVirtual screening) ) ( (周期短、成本低、效率高周期短、成本低、效率高）生物信息學(xué)|Bioinformatics？生物信息學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的迅猛發(fā)展為以生物信息學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的迅猛發(fā)展為以組合化學(xué)組合化學(xué)（combinatorial chemistry )combinatorial chemistry )、高通量篩選高通量

9、篩選（high high throughput screening, HTS)throughput screening, HTS)數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)的虛擬藥虛擬藥物篩選物篩選計算機(jī)輔助藥物設(shè)計計算機(jī)輔助藥物設(shè)計提供了極其重要的條件提供了極其重要的條件。生物信息學(xué)在藥物研究過程中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)在藥物研究過程中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)與計算化學(xué)（分子生物學(xué)與計算化學(xué)（分子模擬分子模擬）兩方面。）兩方面。 生物信息學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)生物信息學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)（一）新藥發(fā)現(xiàn)的兩個技術(shù)平臺（一）新藥發(fā)現(xiàn)的兩個技術(shù)平臺 組合化學(xué)是一門將化學(xué)合成、組合理論、計算機(jī)輔助設(shè)計組合化

10、學(xué)是一門將化學(xué)合成、組合理論、計算機(jī)輔助設(shè)計及機(jī)器人結(jié)合為一體的技術(shù)。它根據(jù)組合原理在短時間內(nèi)將不同構(gòu)及機(jī)器人結(jié)合為一體的技術(shù)。它根據(jù)組合原理在短時間內(nèi)將不同構(gòu)建模塊以共價鍵系統(tǒng)地、反復(fù)地進(jìn)行連接，從而產(chǎn)生大批的分子多建模塊以共價鍵系統(tǒng)地、反復(fù)地進(jìn)行連接，從而產(chǎn)生大批的分子多樣性群體，形成樣性群體，形成化合物庫化合物庫 (Compound-library)(Compound-library)；然后，運用組合原；然后，運用組合原理，以巧妙的手段對化合物庫進(jìn)行篩選、優(yōu)化，得到可能有目標(biāo)性理，以巧妙的手段對化合物庫進(jìn)行篩選、優(yōu)化，得到可能有目標(biāo)性能的化合物結(jié)構(gòu)的科學(xué)。能的化合物結(jié)構(gòu)的科學(xué)。（一）新藥

11、發(fā)現(xiàn)的兩個技術(shù)平臺（一）新藥發(fā)現(xiàn)的兩個技術(shù)平臺1.1 組合化學(xué) (Combinatorial Chemistry1-2 What is HTS ? 高通量篩選高通量篩選（high throughput screeninghigh throughput screening）是指應(yīng)是指應(yīng)用計算機(jī)控制操作技術(shù)，對大量化合物進(jìn)行微量樣品的自用計算機(jī)控制操作技術(shù)，對大量化合物進(jìn)行微量樣品的自動化檢測方法。動化檢測方法。 檢測方法有：放射性配體結(jié)合測定法；以細(xì)胞為檢測方法有：放射性配體結(jié)合測定法；以細(xì)胞為基礎(chǔ)的基礎(chǔ)的MTTMTT法、法、MTSMTS法；以法；以cAMPcAMP為基礎(chǔ)的受體測定法；為基礎(chǔ)的受

12、體測定法；轉(zhuǎn)錄活化酶測定法；以鈣離子為基礎(chǔ)的熒光測定法等。轉(zhuǎn)錄活化酶測定法；以鈣離子為基礎(chǔ)的熒光測定法等。與疾病相關(guān)的與疾病相關(guān)的靶標(biāo)生物大分子靶標(biāo)生物大分子（蛋蛋白質(zhì)、核酸、多糖分子等，一般稱為白質(zhì)、核酸、多糖分子等，一般稱為受體受體）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)三維結(jié)構(gòu)確定及三維結(jié)構(gòu)確定及驗證驗證；具有生物活性的具有生物活性的小分子藥物小分子藥物（一般一般稱為稱為配體配體或或底物底物）的的設(shè)計設(shè)計和發(fā)展和發(fā)展。（二）新藥研究存在兩個技術(shù)瓶頸（二）新藥研究存在兩個技術(shù)瓶頸分子生物學(xué)實驗方法結(jié)構(gòu)生物學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué) 計算機(jī)輔助計算機(jī)輔助 藥物設(shè)計藥物設(shè)計 21世紀(jì)新藥研究的熱點將集中于先導(dǎo)化合物的發(fā)

13、掘與設(shè)計，其中使用計算機(jī)輔助設(shè)計是先導(dǎo)化合物設(shè)計的重要方法之一。計算機(jī)輔助藥物設(shè)計是應(yīng)用量子力學(xué)、分子動力學(xué)、構(gòu)效關(guān)系等基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)研究藥物對酶、受體等的作用的藥效模型，從而達(dá)到藥物設(shè)計之目的。 三、計算機(jī)輔助藥物設(shè)計（一）計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的原理（一）計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的原理 計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的一般原理是：首先通過X單晶衍射技等技術(shù)獲得受體大分子結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)，并且采用分子模擬軟件分析結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如靜電場、疏水場、氫鍵作用位點分布等信息。然后再運用數(shù)據(jù)庫搜尋或者全新藥物分子設(shè)計技術(shù)，識別得到分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點相匹配的分子，合成并測試這些分子的生物活性，經(jīng)過幾輪循環(huán)，即

14、可以發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。（二）計算機(jī)輔助藥物設(shè)計方法（二）計算機(jī)輔助藥物設(shè)計方法計算機(jī)輔助藥物設(shè)計大致包括活性位點分析法、數(shù)據(jù)庫搜尋、全新藥物設(shè)計。2.1 活性位點分析法該方法可以用來探測與生物大分子的活性位點較好地相互作用的原子或者該方法可以用來探測與生物大分子的活性位點較好地相互作用的原子或者基團(tuán)?；鶊F(tuán)。目前，活性位點分析軟件有目前，活性位點分析軟件有DRID、GREEN、HSITE等。另外還有一些基等。另外還有一些基于蒙特卡羅、模擬退火技術(shù)的軟件如于蒙特卡羅、模擬退火技術(shù)的軟件如MCSS、HINT、BUCKETS等。等。2.2 數(shù)據(jù)庫搜尋 目前數(shù)據(jù)庫搜尋方法分為兩類。一類是基于配體的，另

15、一類方法是基目前數(shù)據(jù)庫搜尋方法分為兩類。一類是基于配體的，另一類方法是基于受體的。于受體的。u基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法，即根據(jù)藥效基團(tuán)模型進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)數(shù)基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法，即根據(jù)藥效基團(tuán)模型進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫搜尋。該類方法一般需先建立一系列活性分子的藥效構(gòu)象，抽提據(jù)庫搜尋。該類方法一般需先建立一系列活性分子的藥效構(gòu)象，抽提出共有的藥效基團(tuán)，進(jìn)而在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫中尋找符合藥效基團(tuán)模型的出共有的藥效基團(tuán)，進(jìn)而在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫中尋找符合藥效基團(tuán)模型的化合物?；衔?。u該類方法中比較著名的軟件有該類方法中比較著名的軟件有Catalyst和和Unityu基于受體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法，也稱為分子對接法，即將

16、小分子配體基于受體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法，也稱為分子對接法，即將小分子配體對接到受體的活性位點，并搜尋其合理的取向和構(gòu)象，使得配體與受對接到受體的活性位點，并搜尋其合理的取向和構(gòu)象，使得配體與受體的形狀和相互作用的匹配最佳。體的形狀和相互作用的匹配最佳。u目前具代表性的分子對接軟件主要有目前具代表性的分子對接軟件主要有 DOCK、F1exX和和GOLD。2.2.1 基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法法2.2.2 基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法法2.3 全新藥物設(shè)計 全新藥物設(shè)計能夠根據(jù)受體活性部位的形狀和性質(zhì)要求，讓計全新藥物設(shè)計能夠根據(jù)受體活性部位的形狀和性質(zhì)要求，讓計

17、算機(jī)自動構(gòu)建出形狀、性質(zhì)互補(bǔ)的新分子，該新分子能與受體活性算機(jī)自動構(gòu)建出形狀、性質(zhì)互補(bǔ)的新分子，該新分子能與受體活性部位很好地契合，從而有望成為新的先導(dǎo)化合物；它通常能提出一部位很好地契合，從而有望成為新的先導(dǎo)化合物；它通常能提出一些新的思想和結(jié)構(gòu)類型，但對所設(shè)計的化合物需要進(jìn)行合成，有時些新的思想和結(jié)構(gòu)類型，但對所設(shè)計的化合物需要進(jìn)行合成，有時甚至是全合成。全新藥物設(shè)計方法出現(xiàn)的時間雖然不長，但發(fā)展極甚至是全合成。全新藥物設(shè)計方法出現(xiàn)的時間雖然不長，但發(fā)展極為迅速，現(xiàn)已開發(fā)出一批實用性較強(qiáng)的軟件，其主要軟件有為迅速，現(xiàn)已開發(fā)出一批實用性較強(qiáng)的軟件，其主要軟件有LUDI、Leapfrog、GR

18、OW、SPROU以及北京大學(xué)來魯華等開發(fā)的以及北京大學(xué)來魯華等開發(fā)的LigBuilder等，其中等，其中LUDI最為常用。最為常用。 抗艾滋病毒（HIV）藥物設(shè)計實例分析（三）計算機(jī)輔助藥物設(shè)計實例（三）計算機(jī)輔助藥物設(shè)計實例3-1 HIV的復(fù)制機(jī)理 3-2 以酶為靶點的抗HIV藥物 酶抑制劑設(shè)計研究進(jìn)展1 1、HIVHIV逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑（第一代抗（第一代抗HIVHIV藥物）藥物） 最先獲得美國最先獲得美國FDAFDA批準(zhǔn)的是批準(zhǔn)的是 3-3-疊氮基疊氮基 22，33脫氧脫氧 胸苷（胸苷（Zidovudine,AZTZidovudine,AZT）, ,商品名為商品名為齊多夫齊多夫

19、定定。 【問題問題】：易產(chǎn)生耐藥病毒株，較大的毒副作用。易產(chǎn)生耐藥病毒株，較大的毒副作用。2、HIVHIV蛋白酶抑制劑蛋白酶抑制劑（第二代抗（第二代抗HIVHIV藥物）藥物） 現(xiàn)有三種現(xiàn)有三種HIVHIV1 1蛋白酶抑制劑蛋白酶抑制劑 saqninavir, saqninavir, ritonavir ritonavir 和和 indinavir indinavir 已經(jīng)成為治療已經(jīng)成為治療HIVHIV的臨床藥物。的臨床藥物。 隨著對膜融合機(jī)理研究的進(jìn)隨著對膜融合機(jī)理研究的進(jìn)展和對艾滋病毒的表面糖蛋白展和對艾滋病毒的表面糖蛋白gp160(gp120+gp41)gp160(gp120+gp41)

20、結(jié)構(gòu)的研究，科學(xué)結(jié)構(gòu)的研究，科學(xué)家們認(rèn)識到家們認(rèn)識到gp41gp41是最理想的艾滋病藥是最理想的艾滋病藥物設(shè)計靶標(biāo)。物設(shè)計靶標(biāo)。20032003年年3 3月，由瑞士羅氏月，由瑞士羅氏制藥及美國制藥及美國TrimerisTrimeris公司共同開發(fā)的公司共同開發(fā)的世界上第一個以世界上第一個以gp41gp41作為藥物靶蛋白作為藥物靶蛋白的藥物的藥物T-20T-20，獲得，獲得FDAFDA批準(zhǔn)在美國和歐批準(zhǔn)在美國和歐洲上市，由此標(biāo)志著第三代抗艾滋病洲上市，由此標(biāo)志著第三代抗艾滋病藥物藥物膜融合抑制劑的誕生。膜融合抑制劑的誕生。第三代？用于治療艾滋病用于治療艾滋病(AIDS)的第一代藥物的第一代藥物

21、第二代抗艾滋病毒藥物第二代抗艾滋病毒藥物3-3 抗艾滋病藥物研究進(jìn)展HIV-1蛋白酶抑制劑設(shè)計過程分析 上世紀(jì)上世紀(jì)9090年代初，年代初，WlodawerWlodawer等獲得了全合成的等獲得了全合成的HIVHIV蛋白酶蛋白酶的晶體結(jié)構(gòu)，證實了的晶體結(jié)構(gòu)，證實了 HIVHIV蛋白酶以二聚蛋白酶以二聚體的形式產(chǎn)生活性，同時也證實了人們體的形式產(chǎn)生活性，同時也證實了人們假設(shè)的如同天然蛋白質(zhì)假設(shè)的如同天然蛋白質(zhì) HIVHIV蛋白酶具有蛋白酶具有雙折疊螺旋對稱性。由于雙折疊螺旋對稱性。由于 HIV HIV 蛋白蛋白酶是同源二聚體，其活性部位具有二重酶是同源二聚體，其活性部位具有二重軸對稱性，軸對稱性，因此，所設(shè)計的因此，所設(shè)計的抑制劑也應(yīng)抑制劑也應(yīng)具有同樣的對稱性具有同樣的對稱性才可能有較