生物信息學(xué)與藥物設(shè)計(jì)課件

1、生物信息學(xué)與藥物設(shè)計(jì)生物信息學(xué)|Bioinformatics生物信息學(xué)與藥物設(shè)計(jì)生物信息學(xué)|Bioinformatics（一）生物信息學(xué)與藥物設(shè)計(jì)新藥研究和開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)耗資巨大的工程。過(guò)去，每一種新藥從研發(fā)到投入市場(chǎng)平均需要1015年，耗費(fèi)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(gè)重要應(yīng)用是藥物設(shè)計(jì)和新藥研發(fā)。生物信息技術(shù)為藥物研究設(shè)計(jì)提供了嶄新的研究思路和手段，已經(jīng)在新藥設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如初始階段、篩選及藥物設(shè)計(jì)，以及新藥開(kāi)發(fā)階段發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。利用強(qiáng)大的計(jì)算工具，新藥開(kāi)發(fā)平均費(fèi)用降為8億美元，時(shí)間則縮短了23年。一、概述生物信息學(xué)|Bioinformatics（一）生物信息學(xué)與藥物設(shè)

2、計(jì)新藥研究和開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)耗資巨大的工程漫長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)、高利潤(rùn) )！生物信息學(xué)|Bioinformatics漫長(zhǎng)的新藥研發(fā)歷程 (10-15 years) 制藥業(yè)屬一種治療哮喘、過(guò)敏性鼻炎的新藥孟魯司特簡(jiǎn)介（英文名：Montelukast ）生物信息學(xué)|Bioinformatics一種治療哮喘、過(guò)敏性鼻炎的新藥孟魯司特簡(jiǎn)介（英文名：Mont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D4受體拮抗劑 ，有阻斷過(guò)敏介質(zhì)的作用 。生物信息學(xué)|Bioinformatics孟魯

3、司特化學(xué)分子結(jié)構(gòu)分子式: C35H36ClNO3S生物信（二）生物信息學(xué)與新藥研發(fā)的關(guān)系生物信息學(xué)|Bioinformatics（二）生物信息學(xué)與新藥研發(fā)的關(guān)系生物信息學(xué)|BioinforImpact of Structural Genomics on Drug DiscoveryDry, S. et. al. (2000) Nat. Struc.Biol. 7:976-949.生物信息學(xué)|BioinformaticsImpact of Structural Genomics （三）生物信息學(xué)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(xué)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(píng)價(jià)靶點(diǎn)的識(shí)別靶點(diǎn)的證實(shí)先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的優(yōu)化臨床評(píng)價(jià)投入市場(chǎng)投入市場(chǎng)時(shí)間長(zhǎng)，花費(fèi)大，藥物作用機(jī)理不明確針對(duì)性強(qiáng)，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(xué)|Bioinformatics（三）生物信息學(xué)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(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(shí)別信息在藥物設(shè)計(jì)中極為關(guān)鍵。受實(shí)驗(yàn)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(cè)定，用生物信息學(xué)方法尋找先導(dǎo)化合物越來(lái)越受到人們重視。目前常用的幾種方法是： （三

5、）生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用32先導(dǎo)化臺(tái)物的尋找三維結(jié)構(gòu)搜尋(threedimensional structure searching)分子對(duì)接(molecular docking)全新藥物設(shè)計(jì)(de novo drugdesign)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)蛋生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的意義在于找到病理過(guò)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(jì)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(guò)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生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中

6、的意義在于找到病理過(guò)程中關(guān)鍵性的分子靶 二、生物信息學(xué)與新藥研制 未來(lái)的藥物研究過(guò)程將是基于生物信息 學(xué)（bioinformatics)知識(shí)挖掘的過(guò)程數(shù)據(jù)處理和關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)藥物作用對(duì)象確定靶標(biāo)分子?Rational drug design生物信息學(xué)|Bioinformatics合理藥物設(shè)計(jì) 二、生物信息學(xué)與新藥研制 未來(lái)的藥物研究過(guò) 新藥研發(fā) 重點(diǎn)領(lǐng)域生物信息學(xué)|Bioinformatics 新藥研發(fā)生物信息學(xué)|Bioinformatics生物信息學(xué)|Bioinformatics 近年來(lái)，人類(lèi)基因組計(jì)劃和蛋白質(zhì)組計(jì)劃的開(kāi)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

7、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(guò)主要在以下幾個(gè)方面為藥物設(shè)計(jì)提供幫助：確定與疾病相關(guān)的靶標(biāo)；驗(yàn)證靶標(biāo)的有效性；預(yù)測(cè)靶標(biāo)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)；確證藥物的作用機(jī)制；預(yù)測(cè)藥物的毒性。生物信息學(xué)|Bioinformatics 新藥發(fā)現(xiàn)如何擺脫大量數(shù)據(jù)的困擾？過(guò)去，藥物學(xué)家面臨的主要問(wèn)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(lài)大量的隨機(jī)篩選（周期長(zhǎng)、數(shù)量大、花費(fèi)大）現(xiàn)在，由于生命科學(xué)進(jìn)入組學(xué)時(shí)代各種生物分支學(xué)科信息的大量涌現(xiàn)，藥物學(xué)家面臨的主要問(wèn)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(shí)體（New chemi

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

9、的兩個(gè)技術(shù)平臺(tái)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)（combina 組合化學(xué)是一門(mén)將化學(xué)合成、組合理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)將不同構(gòu)建模塊以共價(jià)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，形成化合物庫(kù) (Compound-library)；然后，運(yùn)用組合原理，以巧妙的手段對(duì)化合物庫(kù)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)。（一）新藥發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)技術(shù)平臺(tái)1.1 組合化學(xué) (Combinatorial Chemistry 組合化學(xué)是一門(mén)將化學(xué)合成、組合理論、計(jì)算機(jī)生物信息學(xué)與藥物設(shè)計(jì)課件1-2 What is HTS ? 高

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

11、般稱(chēng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法結(jié)構(gòu)生物學(xué) 計(jì)算機(jī)輔助 藥物設(shè)計(jì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法結(jié)構(gòu)生物學(xué) 計(jì)算機(jī)輔助 21世紀(jì)新藥研究的熱點(diǎn)將集中于先導(dǎo)化合物的發(fā)掘與設(shè)計(jì)，其中使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是先導(dǎo)化合物設(shè)計(jì)的重要方法之一。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)是應(yīng)用量子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、構(gòu)效關(guān)系等基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)研究藥物對(duì)酶、受體等的作用的藥效模型，從而達(dá)到藥物設(shè)計(jì)之目的。 三、計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì) 21世紀(jì)新藥研究的熱點(diǎn)將集中于先導(dǎo)化合物的發(fā)（一）計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的原理 計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的一般原理是：首先通過(guò)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(chǎng)、疏水場(chǎng)、氫鍵作用位點(diǎn)分

12、布等信息。然后再運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋或者全新藥物分子設(shè)計(jì)技術(shù)，識(shí)別得到分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點(diǎn)相匹配的分子，合成并測(cè)試這些分子的生物活性，經(jīng)過(guò)幾輪循環(huán)，即可以發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。（一）計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的原理 計(jì)算機(jī)（二）計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)大致包括活性位點(diǎn)分析法、數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋、全新藥物設(shè)計(jì)。2.1 活性位點(diǎn)分析法該方法可以用來(lái)探測(cè)與生物大分子的活性位點(diǎn)較好地相互作用的原子或者基團(tuán)。目前，活性位點(diǎn)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(kù)搜尋 目前數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋方法分為兩類(lèi)。一

13、類(lèi)是基于配體的，另一類(lèi)方法是基于受體的。（二）計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)大致包括活性位基于配體的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)搜尋。該類(lèi)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(kù)中尋找符合藥效基團(tuán)模型的化合物。該類(lèi)方法中比較著名的軟件有Catalyst和Unity基于受體的數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋方法，也稱(chēng)為分子對(duì)接法，即將小分子配體對(duì)接到受體的活性位點(diǎn)，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(duì)接軟件主要有 DOCK、F1exX和GOLD。2.2.1 基于配體的數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋方法2.2.2

14、 基于配體的數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋方法基于配體的數(shù)據(jù)庫(kù)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)生物信息學(xué)與藥物設(shè)計(jì)課件2.3 全新藥物設(shè)計(jì) 全新藥物設(shè)計(jì)能夠根據(jù)受體活性部位的形狀和性質(zhì)要求，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)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；它通常能提出一些新的思想和結(jié)構(gòu)類(lèi)型，但對(duì)所設(shè)計(jì)的化合物需要進(jìn)行合成，有時(shí)甚至是全合成。全新藥物設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)的時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但發(fā)展極為迅速，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一批實(shí)用性較強(qiáng)的軟件，其主要軟件有LUDI、Leapfrog、GROW、SPROU以及北京大學(xué)來(lái)魯華等開(kāi)發(fā)的LigBuilder等，其中LUDI最為常用。 2.3

15、全新藥物設(shè)計(jì) 全新藥物設(shè)計(jì)能夠根據(jù)受抗艾滋病毒（HIV）藥物設(shè)計(jì)實(shí)例分析（三）計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)實(shí)例抗艾滋病毒（HIV）藥物設(shè)計(jì)實(shí)例分析（三）計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)3-1 HIV的復(fù)制機(jī)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(jī)理 HIV (human 3-2 以酶為靶點(diǎn)的抗HIV藥物 酶抑制劑設(shè)計(jì)研究進(jìn)展1、HIV逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑（第一代抗HIV藥物） 最先獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)的是 3-疊氮基 2，3脫氧 胸苷（Zidovudine,AZT）,商品名為齊多夫定。 【問(wèn)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(diǎn)的抗HIV藥物 隨著對(duì)膜融合機(jī)理研究的進(jìn)展和對(duì)艾滋病毒的表面糖蛋白gp160(gp120+gp41)結(jié)構(gòu)的研究，科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到gp41是最理想的艾滋病藥物設(shè)計(jì)靶標(biāo)。2019年3月，由瑞士羅氏制藥及美國(guó)Trimeris公司共同開(kāi)發(fā)的世界上第一個(gè)以gp41作為藥物靶蛋白的藥物T-20，獲得FDA批準(zhǔn)在美國(guó)和歐洲上市，由此標(biāo)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(duì)膜融合機(jī)理研

17、究的進(jìn)展和對(duì)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(jìn)展HIV-1蛋白酶抑制劑設(shè)計(jì)過(guò)程分析 上世紀(jì)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(shí)了 HIV蛋白酶以二聚體的形式產(chǎn)生活性，同時(shí)也證實(shí)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(duì)稱(chēng)性。由于 HIV 蛋白酶是同源二聚體，其活性部位具有二重軸對(duì)稱(chēng)性，因此，所設(shè)計(jì)的抑制劑也應(yīng)具有同樣的對(duì)稱(chēng)性才可能有較高的抑制活性。3-3 抗艾滋病藥物研究進(jìn)展HIV-1蛋白酶抑制劑設(shè)計(jì)過(guò)程 1、 Kuntz等利用DOCK程序研究HIV1蛋白酶，根據(jù)分子相似性對(duì)劍橋晶體數(shù)據(jù)庫(kù)CSD進(jìn)行搜尋，得到化合物（6）haloperidol，通過(guò)測(cè)試，其對(duì)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(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改造得到化合物（7）thioletal，其對(duì)HIV1蛋白酶的抑制常數(shù)Ki 值高達(dá)15molL。 2、進(jìn)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(gè)改進(jìn)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