計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案

計算機(jī)輔助藥物設(shè)計1計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024內(nèi)容1.理論基礎(chǔ)2.分子對接及虛擬篩選3.分子對接流程4.分子對接實例第1頁/共66頁2計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024理論基礎(chǔ)第2頁/共66頁3計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024合理藥物設(shè)計

(Rationaldrugdesign，RDD)?運用基于機(jī)理、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的藥物設(shè)計(Mechanism,structureandpropertybaseddrugdesign,MBDD,SBDD和PBDD)原理、方法和技術(shù)MBDD：尋找和研究新舊藥物作用靶點(Target,受體)(以生命科學(xué)、現(xiàn)代儀器和技術(shù)為基礎(chǔ)，從疾病機(jī)理著手)SBDD：借助計算機(jī)(Computeraided,DD)，根據(jù)構(gòu)效關(guān)系(SAR)直接設(shè)計藥物（根據(jù)靶點3D結(jié)構(gòu)）間接設(shè)計藥物（參考配體理化性質(zhì)和藥效基團(tuán)模型）PBDD：設(shè)計靶向到達(dá)、選擇性作用于靶點的藥物(根據(jù)理化性質(zhì))MBDD+SBDD+PBDD=RDD第3頁/共66頁4計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024計算機(jī)輔助藥物設(shè)計：用計算機(jī)處理并在屏幕上顯示生物大分子和藥物分子模型，特別是計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)與合理藥物設(shè)計過程的結(jié)合則稱為計算機(jī)輔助藥物設(shè)計第4頁/共66頁5計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第5頁/共66頁6計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第6頁/共66頁7計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第7頁/共66頁8計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第8頁/共66頁9計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第9頁/共66頁10計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第10頁/共66頁11計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第11頁/共66頁12計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第12頁/共66頁13計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第13頁/共66頁14計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第14頁/共66頁15計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第15頁/共66頁16計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第16頁/共66頁17計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第17頁/共66頁18計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第18頁/共66頁19計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024分子對接及虛擬篩選第19頁/共66頁20計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024虛擬篩選（virtualscreening,VS)

也稱分子對接，即在進(jìn)行生物活性篩選之前，在計算機(jī)上對化合物分子進(jìn)行預(yù)篩選，以降低實際篩選化合物數(shù)目，同時提高先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)效率。不消耗樣品，降低篩選成本考慮化合物分子的藥動學(xué)性質(zhì)和毒性，增加篩選的內(nèi)涵第20頁/共66頁21計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024虛擬篩選的效率例：蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B（PTP1B）抑制劑的發(fā)現(xiàn)經(jīng)虛擬篩選，再作生物學(xué)測試，虛擬篩選的命中率比隨機(jī)的高通量篩選提高1,700倍第21頁/共66頁22計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024虛擬篩選技術(shù)的分類第22頁/共66頁23計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024基于

結(jié)構(gòu)

虛擬

篩選

一般

流程

圖第23頁/共66頁24計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024分子對接的基本原理配體與受體的結(jié)合過程是一個很復(fù)雜的過程，涉及到配體和受體的去溶劑化、配體和受體（主要是活性位點處的殘基）的構(gòu)象變化以及配體與受體之間的相互作用。配體與受體的結(jié)合強(qiáng)弱取決于結(jié)合過程的自由能變化：第24頁/共66頁25計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024分子對接計算是把配體分子放在受體活性位點的位置，然后按照幾何互補(bǔ)、能量互補(bǔ)、化學(xué)環(huán)境互補(bǔ)的原則來實時評價配體與受體相互作用的好壞，并找到兩個分子之間最佳的結(jié)合模式。第25頁/共66頁26計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024分子對接最初思想起源于FisherE.的“鎖和鑰匙模型”，認(rèn)為“鎖”和“鑰匙”的相識別的首要條件是他們在空間形狀上要互相匹配

配體受體復(fù)合物配體和受體分子之間的識別要比“鎖和鑰匙”模型復(fù)雜的多：1.配體和受體分子的構(gòu)象是變化的，而不是剛性的，配體和

受體在對接過程中互相適應(yīng)對方，從而達(dá)到更完美的匹配；2.其次，分子對接不但要滿足空間形狀的匹配，還要滿足能

量的匹配。第26頁/共66頁27計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/20241958年Koshland提出了分子識別過程中的誘導(dǎo)契合（inducedfit）概念，指出配體與受體相互結(jié)合時，受體將采取一個能同底物達(dá)到最佳結(jié)合的構(gòu)象。第27頁/共66頁28計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024分子對接方法根據(jù)不同的簡化程度可以大致分為以下三類：（1）剛性對接；研究體系的構(gòu)象不發(fā)生變化（2）半柔性對接；研究體系尤其是配體的構(gòu)象允許在一定的范圍內(nèi)變化（3）柔性對接；研究體系的構(gòu)象基本上是可以自由變化的第28頁/共66頁29計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024剛性對接適合考察比較大的體系，比如蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)和核酸之間的相互作用，他計算較為簡單，原理也相對簡單，主要是考慮構(gòu)象之間的契合程度。半柔性對接適合于處理小分子和大分子之間的對接。在對接過程中，小分子的構(gòu)象一般是可以變化的，但大分子則是剛性的。由于小分子相對較小，因此在一定程度考察柔性的基礎(chǔ)上，還可以保持較高的計算效率，在藥物設(shè)計尤其在基于分子數(shù)據(jù)庫的虛擬篩選過程中，一般采用半柔性的分子對接方法。柔性對接方法一般用于精確考察分子之間的識別情況，由于在計算過程中體系的構(gòu)象是可以變化的，因此柔性對接在提高了對接準(zhǔn)確性的同時卻需要耗費較長的計算時間。第29頁/共66頁30計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024分子對接的目的：找到底物分子和受體分子的最佳結(jié)合位置找到最佳的結(jié)合位置評價對接分子之間的結(jié)合強(qiáng)度？構(gòu)象搜索方法第30頁/共66頁31計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024按照分子對接程序?qū)ふ遗潴w與受體結(jié)合構(gòu)象方法的差異，可以分為三種：1、局部優(yōu)化法

2、深度搜尋法

3、全局優(yōu)化法第31頁/共66頁32計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024局部優(yōu)化法：不對配體和受體進(jìn)行構(gòu)象搜尋，只是對初始構(gòu)象進(jìn)行優(yōu)化，得到配體與受體結(jié)合的一個局部最優(yōu)構(gòu)象；深度搜尋法：采用深度優(yōu)先搜尋法或廣度優(yōu)先搜尋法，通過有限的步驟，找到一個相對較好的局部最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象。全局優(yōu)化法：在進(jìn)行構(gòu)象搜尋時，利用模擬退火算法或遺傳算法，尋找配體與受體的全局最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象。第32頁/共66頁33計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第33頁/共66頁34計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024目的：評判配體分子和受體結(jié)合能力的強(qiáng)弱。含義：①先對同一個分子的不同結(jié)合構(gòu)象，評價各構(gòu)象的結(jié)合好壞。②再對數(shù)據(jù)庫中的不同分子的最好結(jié)合構(gòu)象進(jìn)行評價，以得到最終的結(jié)合能力從高到低的化合物分子清單。

打分函數(shù)第34頁/共66頁35計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第35頁/共66頁36計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024對接方法尚需解決的問題分子的柔性溶劑化效應(yīng)打分函數(shù)第36頁/共66頁37計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024

分子對接軟件表1：有代表性的分子對接軟件名稱優(yōu)化方法評價函數(shù)速度DOCK片斷生長分子力場、表面匹配得分、化學(xué)環(huán)境匹配得分快AutoDock遺傳算法半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)一般ICM-Docking隨機(jī)全局優(yōu)化半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)快GOLD遺傳算法半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)快FlexX片斷生長半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)快Affinity蒙特卡羅/分子力學(xué)/分子動力學(xué)分子力場慢ZDock&RDock幾何匹配/分子動力學(xué)CAPRI*/分子力場慢FlexiDock遺傳算法分子力場慢eHiTS系統(tǒng)搜索半經(jīng)驗自由能評價函數(shù)快Hex幾何匹配CAPRI*快第37頁/共66頁38計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024分子對接流程第38頁/共66頁39計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第39頁/共66頁40計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024(一)靶點結(jié)構(gòu)的預(yù)處理第40頁/共66頁41計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第41頁/共66頁42計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第42頁/共66頁43計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第43頁/共66頁44計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024

常用的數(shù)據(jù)庫有MDL數(shù)據(jù)庫、SPECS數(shù)據(jù)庫和CNPD（ChineseNaturalProductDatabase）數(shù)據(jù)庫(二)小分子數(shù)據(jù)庫的預(yù)處理第44頁/共66頁45計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024第45頁/共66頁46計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024分子對接實例第46頁/共66頁47計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024人碳酸酐酶與其抑制劑復(fù)合物2002年Grunberg等采用基于分子對接的虛擬篩選方法成功地找到了多種人碳酸酐酶的抑制劑。在整個設(shè)計過程中，他們采用了多次初篩的辦法將Maybridge數(shù)據(jù)庫（61186個分子）和LeadQuest數(shù)據(jù)庫（37841個分子）進(jìn)行過濾。首先利用Lipinski的“5規(guī)則”將數(shù)據(jù)庫縮小為5904個；然后利用FlexS與已知抑制劑進(jìn)行相似性篩選，得到了100個候選化合物；最后將這100個分子利用FlexX程序進(jìn)行對接篩選，從中挑選出13個進(jìn)行生物活性測試，結(jié)果7個分子的IC50值達(dá)到了微摩爾級別。第47頁/共66頁48計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024抗艾滋病藥物的發(fā)現(xiàn)——虛擬篩選艾滋病病毒,人類免疫缺陷病毒humanimmunodeficiencyvirus,HIV第48頁/共66頁49計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/20241.HIV-1蛋白酶（HIV-PR）,所催化的水解反應(yīng)在艾滋病病毒導(dǎo)入人體細(xì)胞過程中起著重要的作用

2.高效的HIV-PR抑制劑為治療艾滋病的有效藥物

3.肽類HIV-PR抑制劑生物性質(zhì)不穩(wěn)定，吸收性差，易被代謝分解，因此口服給藥無效第49頁/共66頁50計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/20241.X-射線晶體結(jié)構(gòu)2.搜尋數(shù)據(jù)庫3.生物測試:高選擇性,高活性(Ki=0.1nM)第50頁/共66頁51計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024抗SARS冠狀病毒藥物的設(shè)計

——基于SARS-CoV3CL蛋白酶的虛擬篩選嚴(yán)重急性呼吸道綜合征病原體——SARS冠狀病毒第51頁/共66頁52計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024SARS-Cov感染宿主細(xì)胞起重要作用的結(jié)構(gòu)蛋白?E蛋白（smallenvelopeprotein，小信封蛋白）?S蛋白（spikeglycoprotein，刺突糖蛋白）?M蛋白（membraneprotein，膜蛋白）?N蛋白（nucleocapsidprotein，核衣殼蛋白）?多聚酶（polymerase）?類3C蛋白酶（3Clikeproteinase,3CL）第52頁/共66頁53計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/20243CL蛋白酶作為抗SARS藥物篩選靶點的優(yōu)點?在冠狀病毒復(fù)制過程中起著重要作用?有許多已知抑制劑，便于迅速開發(fā)?較易表達(dá)，有利于加緊研究?有較高的同源性，可用同源法模建三維結(jié)構(gòu)模型第53頁/共66頁54計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024步驟1.同源模建(1)3CL蛋白酶序列(GenBank)與各類冠狀病毒蛋白酶序列（PDB）作序列分析和同源性分析（BLAST程序）人冠狀病毒；鼠科肝炎病毒；豬傳染性腹瀉病毒；貓傳染性腹膜炎病毒；禽傳染性支氣管炎病毒；豬冠狀病毒；傳染性胃腸炎病毒(2)傳染性胃腸炎病毒（TGEV）的蛋白酶Mpro與3CL蛋白酶有極高的同源性，特別在底物結(jié)合口袋（活性部位）(3)以TGEVMpro的X-射線晶體結(jié)構(gòu)為模板，模建3CL蛋白酶三維結(jié)構(gòu)（Sybyl6.8/SiteID程序）第54頁/共66頁55計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024結(jié)果（1）所建模型與TGEVMpro晶體結(jié)構(gòu)基本重疊（2）3CL蛋白酶的折疊方式與TGEVMpro相同，結(jié)合口袋的結(jié)構(gòu)以及空間特征幾乎一樣3CL蛋白酶結(jié)構(gòu)與Mpro蛋白酶晶體結(jié)構(gòu)的重疊圖3CL蛋白酶的緞帶模型第55頁/共66頁56計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024步驟2.分析酶-配體作用模型兩種蛋白酶的結(jié)合部位(Sybyl6.8程序)中,小分子C能以同樣的方式與兩種酶的結(jié)合口袋契合A.TGEVMPRo蛋白酶B.SARS3CL蛋白酶C.蛋白酶抑制劑兩種蛋白酶的底物結(jié)合口袋的表面特征因此，3CL蛋白酶模建模型或TGEVMpro的晶體結(jié)構(gòu)均可作為篩選抗SARS藥物的結(jié)構(gòu)模型第56頁/共66頁57計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024步驟3.虛擬篩選以SARS冠狀病毒3CL蛋白酶三維結(jié)構(gòu)模型和TGEVMpro

為篩選模型作虛擬篩選（SGIOrigin3800超級計算機(jī)和392CPU的神威1號超級計算機(jī)）ACD數(shù)據(jù)庫、MDDR數(shù)據(jù)庫、SPECS數(shù)據(jù)庫、中國天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫（CNPD）和國家藥物篩選中心內(nèi)部樣品庫——共數(shù)十萬個化合物（1）DOCK4.0作初篩，選出得分高的前1000個化合物；（2）用Cscore軟件和AutoDock3.0軟件作評價，從每個數(shù)

據(jù)庫中挑選出100個得分最高的化合物結(jié)果：共找到300個可能具有抗SARS冠狀病毒潛力的候選化合物第57頁/共66頁58計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024步驟4藥理測試（1）用病毒3CL蛋白酶分子水平篩選模型篩選候選化合物——發(fā)現(xiàn)了7個具有高活性的化合物（2）在P3實驗室中作SARS病毒感染細(xì)胞水平的測試，發(fā)現(xiàn)5-HT受體拮抗劑（肉桂硫胺，Cinanserin）有明顯的抗SARS病毒感染和保護(hù)細(xì)胞的作用（3）申請專利，以CADD作結(jié)構(gòu)優(yōu)化第58頁/共66頁59計算機(jī)輔助藥物設(shè)計教案5/9/2024

美普他酚雙配體衍生物與AChE的對接研究阿爾茨海默癥（Alzheimer’sDisease，AD）與乙酰膽堿（ACh）水平降低和對乙酰膽堿酯酶AChE誘導(dǎo)的β-淀粉樣蛋白（Aβ）聚集有關(guān)治療AD的藥靶：乙酰膽堿酯酶（AChE）和β-淀粉樣蛋白AChE抑制劑：美普他酚（Meptazinol）研究發(fā)現(xiàn)Aβ的聚集與AChE上的外周陰離子位點（PAS）有關(guān)

XieQetal.J.Med.Chem