生物信息學與藥物設(shè)計課件

1、生物信息學與藥物設(shè)計生物信息學|Bioinformatics生物信息學與藥物設(shè)計生物信息學|Bioinformatics（一）生物信息學與藥物設(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。生物信息學與生物醫(yī)學領(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|Bioinformatics（一）生物信息學與藥物設(shè)

2、計新藥研究和開發(fā)是一項耗資巨大的工程漫長的新藥研發(fā)歷程 (10-15 years) 制藥業(yè)屬“ 三高 ” 產(chǎn)業(yè) ( 高投資、高風險、高利潤 )！生物信息學|Bioinformatics漫長的新藥研發(fā)歷程 (10-15 years) 制藥業(yè)屬一種治療哮喘、過敏性鼻炎的新藥孟魯司特簡介（英文名：Montelukast ）生物信息學|Bioinformatics一種治療哮喘、過敏性鼻炎的新藥孟魯司特簡介（英文名：Mont孟魯司特化學分子結(jié)構(gòu)分子式: C35H36ClNO3S分子量 :608.18功能：為選擇性白三烯D4受體拮抗劑 ，有阻斷過敏介質(zhì)的作用 。生物信息學|Bioinformatics孟魯

3、司特化學分子結(jié)構(gòu)分子式: C35H36ClNO3S生物信（二）生物信息學與新藥研發(fā)的關(guān)系生物信息學|Bioinformatics（二）生物信息學與新藥研發(fā)的關(guān)系生物信息學|BioinforImpact of Structural Genomics on Drug DiscoveryDry, S. et. al. (2000) Nat. Struc.Biol. 7:976-949.生物信息學|BioinformaticsImpact of Structural Genomics （三）生物信息學在藥物研發(fā)中的應(yīng)用傳統(tǒng)藥物研發(fā)模式新的藥物研發(fā)模式根據(jù)資料篩選合理的藥理模型化學合成或從天然產(chǎn)物中人工

4、尋找先導(dǎo)化物的優(yōu)化候選藥物臨床評價靶點的識別靶點的證實先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的優(yōu)化臨床評價投入市場投入市場時間長，花費大，藥物作用機理不明確針對性強，效果好，周期短，研發(fā)投入低3.1 藥物研發(fā)模式的改變生物信息學|Bioinformatics（三）生物信息學在藥物研發(fā)中的應(yīng)用傳統(tǒng)藥物研發(fā)模式新的藥物研藥物研發(fā)中，第一步是找到先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)，該化合物能與靶標蛋白結(jié)合并能進一步發(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

5、）生物信息學在藥物研發(fā)中的應(yīng)用32先導(dǎo)化臺物的尋找三維結(jié)構(gòu)搜尋(threedimensional structure searching)分子對接(molecular docking)全新藥物設(shè)計(de novo drugdesign)生物信息學|Bioinformatics藥物研發(fā)中，第一步是找到先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)，該化合物能與靶標蛋生物信息學在藥物研發(fā)中的意義在于找到病理過程中關(guān)鍵性的分子靶標、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|Bioinformatics生物信息學在藥物研發(fā)中

6、的意義在于找到病理過程中關(guān)鍵性的分子靶 二、生物信息學與新藥研制 未來的藥物研究過程將是基于生物信息 學（bioinformatics)知識挖掘的過程數(shù)據(jù)處理和關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)藥物作用對象確定靶標分子?Rational drug design生物信息學|Bioinformatics合理藥物設(shè)計 二、生物信息學與新藥研制 未來的藥物研究過 新藥研發(fā) 重點領(lǐng)域生物信息學|Bioinformatics 新藥研發(fā)生物信息學|Bioinformatics生物信息學|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信息。而在這紛繁復(fù)雜的生物信息中尋找合適

7、的藥物作用靶標是生物信息學的重要目的之一。生物信息學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；驗證靶標的有效性；預(yù)測靶標生物大分子的三維結(jié)構(gòu)；確證藥物的作用機制；預(yù)測藥物的毒性。生物信息學|Bioinformatics 新藥發(fā)現(xiàn)如何擺脫大量數(shù)據(jù)的困擾？過去，藥物學家面臨的主要問題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先導(dǎo)化合物（Leading compounds)？ 依賴大量的隨機篩選（周期長、數(shù)量大、花費大）現(xiàn)在，由于生命科學進入組學時代各種生物分支學科信息的大量涌現(xiàn)，藥物學家面臨的主要問題如何擺脫大量數(shù)據(jù)的困擾，更快更好地發(fā)現(xiàn)新化合物實體（New chemi

8、cal entities，NCE）？ 依賴生物信息學技術(shù)的虛擬篩選（Virtual screening) (周期短、成本低、效率高）生物信息學|Bioinformatics？新藥發(fā)現(xiàn)如何擺脫大量數(shù)據(jù)的困擾？過去，藥物學家面臨的主要問題生物信息學和結(jié)構(gòu)生物學的迅猛發(fā)展為以組合化學（combinatorial chemistry )、高通量篩選（high throughput screening, HTS)數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)的虛擬藥物篩選計算機輔助藥物設(shè)計提供了極其重要的條件。生物信息學在藥物研究過程中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)分子生物學與計算化學（分子模擬）兩方面。 生物信息學與結(jié)構(gòu)生物學（一）新藥發(fā)現(xiàn)

9、的兩個技術(shù)平臺生物信息學和結(jié)構(gòu)生物學的迅猛發(fā)展為以組合化學（combina 組合化學是一門將化學合成、組合理論、計算機輔助設(shè)計及機器人結(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)地進行連接，從而產(chǎn)生大批的分子多樣性群體，形成化合物庫 (Compound-library)；然后，運用組合原理，以巧妙的手段對化合物庫進行篩選、優(yōu)化，得到可能有目標性能的化合物結(jié)構(gòu)的科學。（一）新藥發(fā)現(xiàn)的兩個技術(shù)平臺1.1 組合化學 (Combinatorial Chemistry 組合化學是一門將化學合成、組合理論、計算機生物信息學與藥物設(shè)計課件1-2 What is HTS ? 高

10、通量篩選（high throughput screening）是指應(yīng)用計算機控制操作技術(shù)，對大量化合物進行微量樣品的自動化檢測方法。 檢測方法有：放射性配體結(jié)合測定法；以細胞為基礎(chǔ)的MTT法、MTS法；以cAMP為基礎(chǔ)的受體測定法；轉(zhuǎn)錄活化酶測定法；以鈣離子為基礎(chǔ)的熒光測定法等。1-2 What is HTS ? 高通量篩選（h生物信息學與藥物設(shè)計課件與疾病相關(guān)的靶標生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸、多糖分子等，一般稱為受體）的結(jié)構(gòu)生物學三維結(jié)構(gòu)確定及驗證；具有生物活性的小分子藥物（一般稱為配體或底物）的設(shè)計和發(fā)展。（二）新藥研究存在兩個技術(shù)瓶頸與疾病相關(guān)的靶標生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸、多糖分子等，一

11、般稱分子生物學實驗方法結(jié)構(gòu)生物學 計算機輔助 藥物設(shè)計分子生物學實驗方法結(jié)構(gòu)生物學 計算機輔助 21世紀新藥研究的熱點將集中于先導(dǎo)化合物的發(fā)掘與設(shè)計，其中使用計算機輔助設(shè)計是先導(dǎo)化合物設(shè)計的重要方法之一。計算機輔助藥物設(shè)計是應(yīng)用量子力學、分子動力學、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，從而達到藥物設(shè)計之目的。 三、計算機輔助藥物設(shè)計 21世紀新藥研究的熱點將集中于先導(dǎo)化合物的發(fā)（一）計算機輔助藥物設(shè)計的原理 計算機輔助藥物設(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

12、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)，即可以發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。（一）計算機輔助藥物設(shè)計的原理 計算機（二）計算機輔助藥物設(shè)計方法計算機輔助藥物設(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基團。目前，活性位點分析軟件有DRID、GREEN、HSITE等。另外還有一些基于蒙特卡羅、模擬退火技術(shù)的軟件如MCSS、HINT、BUCKETS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

13、類是基于配體的，另一類方法是基于受體的。（二）計算機輔助藥物設(shè)計方法計算機輔助藥物設(shè)計大致包括活性位基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法，即根據(jù)藥效基團模型進行三維結(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，抽提出共有的藥效基團，進而在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫中尋找符合藥效基團模型的化合物。該類方法中比較著名的軟件有Catalyst和Unity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，使得配體與受體的形狀和相互作用的匹配最佳。目前具代表性的分子對接軟件主要有 DOCK、F1exX和GOLD。2.2.1 基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法2.2.2

14、 基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法基于配體的數(shù)據(jù)庫搜尋方法，即根據(jù)藥效基團模型進行三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)生物信息學與藥物設(shè)計課件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，讓計算機自動構(gòu)建出形狀、性質(zhì)互補的新分子，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)展極為迅速，現(xiàn)已開發(fā)出一批實用性較強的軟件，其主要軟件有LUDI、Leapfrog、GROW、SPROU以及北京大學來魯華等開發(fā)的LigBuilder等，其中LUDI最為常用。 2.3

15、全新藥物設(shè)計 全新藥物設(shè)計能夠根據(jù)受抗艾滋病毒（HIV）藥物設(shè)計實例分析（三）計算機輔助藥物設(shè)計實例抗艾滋病毒（HIV）藥物設(shè)計實例分析（三）計算機輔助藥物設(shè)計3-1 HIV的復(fù)制機理 HIV (human immunodeficiency virus) 是一種直徑為100nm的RNA病毒，復(fù)制周期如下圖所示：3-1 HIV的復(fù)制機理 HIV (human 3-2 以酶為靶點的抗HIV藥物 酶抑制劑設(shè)計研究進展1、HIV逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑（第一代抗HIV藥物） 最先獲得美國FDA批準的是 3-疊氮基 2，3脫氧 胸苷（Zidovudine,AZT）,商品名為齊多夫定。 【問題】：易產(chǎn)生耐藥病毒株，

16、較大的毒副作用。2、HIV蛋白酶抑制劑（第二代抗HIV藥物） 現(xiàn)有三種HIV1蛋白酶抑制劑 saqninavir, ritonavir 和 indinavir 已經(jīng)成為治療HIV的臨床藥物。 3-2 以酶為靶點的抗HIV藥物 隨著對膜融合機理研究的進展和對艾滋病毒的表面糖蛋白gp160(gp120+gp41)結(jié)構(gòu)的研究，科學家們認識到gp41是最理想的艾滋病藥物設(shè)計靶標。2019年3月，由瑞士羅氏制藥及美國Trimeris公司共同開發(fā)的世界上第一個以gp41作為藥物靶蛋白的藥物T-20，獲得FDA批準在美國和歐洲上市，由此標志著第三代抗艾滋病藥物膜融合抑制劑的誕生。第三代？ 隨著對膜融合機理研

17、究的進展和對艾滋病毒用于治療艾滋病(AIDS)的第一代藥物用于治療艾滋病(AIDS)的第一代藥物 第二代抗艾滋病毒藥物 第二代抗艾3-3 抗艾滋病藥物研究進展HIV-1蛋白酶抑制劑設(shè)計過程分析 上世紀90年代初，Wlodawer等獲得了全合成的HIV蛋白酶的晶體結(jié)構(gòu)，證實了 HIV蛋白酶以二聚體的形式產(chǎn)生活性，同時也證實了人們假設(shè)的如同天然蛋白質(zhì) HIV蛋白酶具有雙折疊螺旋對稱性。由于 HIV 蛋白酶是同源二聚體，其活性部位具有二重軸對稱性，因此，所設(shè)計的抑制劑也應(yīng)具有同樣的對稱性才可能有較高的抑制活性。3-3 抗艾滋病藥物研究進展HIV-1蛋白酶抑制劑設(shè)計過程 1、 Kuntz等利用DOCK程序研究HIV1蛋白酶，根據(jù)分子相似性對劍橋晶體數(shù)據(jù)庫CSD進行搜尋，得到化合物（6）haloperidol，通過測試，其對HIV1蛋白酶的抑制常數(shù)Ki值為：100molL。 1、 Kuntz等利用DOCK程序研究HIV1蛋白 2、進一步的結(jié)構(gòu)改造得到化合物（7）thioletal，其對HIV1蛋白酶的抑制常數(shù)Ki 值高達15molL。 2、進一步的結(jié)構(gòu)改造得到化合物（7）thiole 3、DesJarlais RL 等利用DOCK程序的一個改進版target-DOCK搜尋HIV1蛋白酶抑制劑，得到一系列HIV1蛋白酶抑制劑，其中活性最高的化