计算机辅助药物设计

计算机辅助药物设计

——分子对接及虚拟筛选孙丽丹2014.12.095/9/20241计算机辅助药物设计内容1.理论基础2.分子对接及虚拟筛选3.分子对接流程4.分子对接实例5/9/20242计算机辅助药物设计理论基础5/9/20243计算机辅助药物设计合理药物设计

(Rationaldrugdesign，RDD)•运用基于机理、结构和性质的药物设计(Mechanism,structureandpropertybaseddrugdesign,MBDD,SBDD和PBDD)原理、方法和技术MBDD：寻找和研究新旧药物作用靶点(Target,受体)(以生命科学、现代仪器和技术为基础，从疾病机理着手)SBDD：借助计算机(Computeraided,DD)，根据构效关系(SAR)直接设计药物（根据靶点3D结构）间接设计药物（参考配体理化性质和药效基团模型）PBDD：设计靶向到达、选择性作用于靶点的药物(根据理化性质)MBDD+SBDD+PBDD=RDD5/9/20244计算机辅助药物设计计算机辅助药物设计：用计算机处理并在屏幕上显示生物大分子和药物分子模型，特别是计算机辅助设计技术与合理药物设计过程的结合则称为计算机辅助药物设计5/9/20245计算机辅助药物设计5/9/20246计算机辅助药物设计5/9/20247计算机辅助药物设计5/9/20248计算机辅助药物设计5/9/20249计算机辅助药物设计5/9/202410计算机辅助药物设计5/9/202411计算机辅助药物设计5/9/202412计算机辅助药物设计5/9/202413计算机辅助药物设计5/9/202414计算机辅助药物设计5/9/202415计算机辅助药物设计5/9/202416计算机辅助药物设计5/9/202417计算机辅助药物设计5/9/202418计算机辅助药物设计5/9/202419计算机辅助药物设计分子对接及虚拟筛选5/9/202420计算机辅助药物设计虚拟筛选（virtualscreening,VS)

也称分子对接，即在进行生物活性筛选之前，在计算机上对化合物分子进行预筛选，以降低实际筛选化合物数目，同时提高先导化合物发现效率。不消耗样品，降低筛选成本考虑化合物分子的药动学性质和毒性，增加筛选的内涵5/9/202421计算机辅助药物设计虚拟筛选的效率例：蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B（PTP1B）抑制剂的发现经虚拟筛选，再作生物学测试，虚拟筛选的命中率比随机的高通量筛选提高1,700倍5/9/202422计算机辅助药物设计虚拟筛选技术的分类根据靶点的结构知识基于靶点结构的虚拟筛选基于配体相似性的虚拟筛选分子对接药效基团搜寻5/9/202423计算机辅助药物设计基于

结构

虚拟

筛选

一般

流程

图5/9/202424计算机辅助药物设计分子对接的基本原理配体与受体的结合过程是一个很复杂的过程，涉及到配体和受体的去溶剂化、配体和受体（主要是活性位点处的残基）的构象变化以及配体与受体之间的相互作用。配体与受体的结合强弱取决于结合过程的自由能变化：5/9/202425计算机辅助药物设计分子对接计算是把配体分子放在受体活性位点的位置，然后按照几何互补、能量互补、化学环境互补的原则来实时评价配体与受体相互作用的好坏，并找到两个分子之间最佳的结合模式。5/9/202426计算机辅助药物设计分子对接最初思想起源于FisherE.的“锁和钥匙模型”，认为“锁”和“钥匙”的相识别的首要条件是他们在空间形状上要互相匹配

配体受体复合物配体和受体分子之间的识别要比“锁和钥匙”模型复杂的多：1.配体和受体分子的构象是变化的，而不是刚性的，配体和

受体在对接过程中互相适应对方，从而达到更完美的匹配；2.其次，分子对接不但要满足空间形状的匹配，还要满足能

量的匹配。5/9/202427计算机辅助药物设计1958年Koshland提出了分子识别过程中的诱导契合（inducedfit）概念，指出配体与受体相互结合时，受体将采取一个能同底物达到最佳结合的构象。5/9/202428计算机辅助药物设计分子对接方法根据不同的简化程度可以大致分为以下三类：（1）刚性对接；研究体系的构象不发生变化（2）半柔性对接；研究体系尤其是配体的构象允许在一定的范围内变化（3）柔性对接；研究体系的构象基本上是可以自由变化的5/9/202429计算机辅助药物设计刚性对接适合考察比较大的体系，比如蛋白质和蛋白质以及蛋白质和核酸之间的相互作用，他计算较为简单，原理也相对简单，主要是考虑构象之间的契合程度。半柔性对接适合于处理小分子和大分子之间的对接。在对接过程中，小分子的构象一般是可以变化的，但大分子则是刚性的。由于小分子相对较小，因此在一定程度考察柔性的基础上，还可以保持较高的计算效率，在药物设计尤其在基于分子数据库的虚拟筛选过程中，一般采用半柔性的分子对接方法。柔性对接方法一般用于精确考察分子之间的识别情况，由于在计算过程中体系的构象是可以变化的，因此柔性对接在提高了对接准确性的同时却需要耗费较长的计算时间。5/9/202430计算机辅助药物设计分子对接的目的：找到底物分子和受体分子的最佳结合位置找到最佳的结合位置评价对接分子之间的结合强度？构象搜索方法5/9/202431计算机辅助药物设计按照分子对接程序寻找配体与受体结合构象方法的差异，可以分为三种：1、局部优化法

2、深度搜寻法

3、全局优化法5/9/202432计算机辅助药物设计局部优化法：不对配体和受体进行构象搜寻，只是对初始构象进行优化，得到配体与受体结合的一个局部最优构象；深度搜寻法：采用深度优先搜寻法或广度优先搜寻法，通过有限的步骤，找到一个相对较好的局部最优结合构象。全局优化法：在进行构象搜寻时，利用模拟退火算法或遗传算法，寻找配体与受体的全局最优结合构象。5/9/202433计算机辅助药物设计构象优化的算法系统搜索随机搜索确定性搜索片段生长法构象搜索法构象库方法蒙特卡罗法模拟退火遗传算法禁忌搜索法分子动力学模拟5/9/202434计算机辅助药物设计目的：评判配体分子和受体结合能力的强弱。含义：①先对同一个分子的不同结合构象，评价各构象的结合好坏。②再对数据库中的不同分子的最好结合构象进行评价，以得到最终的结合能力从高到低的化合物分子清单。

打分函数5/9/202435计算机辅助药物设计打分函数1、基于力场的打分函数2、半经验的自由能打分函数3、基于知识的打分函数4、“一致性”打分5/9/202436计算机辅助药物设计对接方法尚需解决的问题分子的柔性溶剂化效应打分函数5/9/202437计算机辅助药物设计

分子对接软件表1：有代表性的分子对接软件名称优化方法评价函数速度DOCK片断生长分子力场、表面匹配得分、化学环境匹配得分快AutoDock遗传算法半经验自由能评价函数一般ICM-Docking随机全局优化半经验自由能评价函数快GOLD遗传算法半经验自由能评价函数快FlexX片断生长半经验自由能评价函数快Affinity蒙特卡罗/分子力学/分子动力学分子力场慢ZDock&RDock几何匹配/分子动力学CAPRI*/分子力场慢FlexiDock遗传算法分子力场慢eHiTS系统搜索半经验自由能评价函数快Hex几何匹配CAPRI*快5/9/202438计算机辅助药物设计分子对接流程5/9/202439计算机辅助药物设计分子对接一、靶点结构的预处理二、小分子数据库的预处理三、分子对接四、打分函数5/9/202440计算机辅助药物设计(一)靶点结构的预处理靶点结构的预处理1、靶点的检验2、靶点的处理3、确定靶点的配体结合口袋5/9/202441计算机辅助药物设计1、靶点的检验晶体结构（X射线测定）溶液结构（NMR测定）分辨率R因子温度因子几何构型的准确率小于2.5ÅRfree<28%R<25%重点关注部位不大于整个分子的平均温度因子Ψ角至少有90%落在允许区域内PDB多个构象Pro：三维结构和氨基酸序列相容性ProsaII：残基之间相互作用能量评估拉氏图：检测三维结构立体构型好坏5/9/202442计算机辅助药物设计2、靶点的处理补齐晶体结构中缺失原子和残基为大分子加上氢，并分配相应电荷确定带电残基的质子化状态去除不重要的小分子5/9/202443计算机辅助药物设计3、确定靶点的配体结合口袋靶点分子为复合物靶点分子不是复合物实验数据未知为配体为中心的5-7Å区域内的氨基酸残基根据同源蛋白或定点变突的数据确定利用软件搜寻5/9/202444计算机辅助药物设计小分子数据库的来源商用化合物数据库公司或研究机构自有数据库设计的虚拟化合物库

常用的数据库有MDL数据库、SPECS数据库和CNPD（ChineseNaturalProductDatabase）数据库(二)小分子数据库的预处理5/9/202445计算机辅助药物设计小分子数据库的预处理1、3D结构转化2、电荷分配3、原子及键的检查4、结构优化5/9/202446计算机辅助药物设计分子对接实例5/9/202447计算机辅助药物设计人碳酸酐酶与其抑制剂复合物2002年Grunberg等采用基于分子对接的虚拟筛选方法成功地找到了多种人碳酸酐酶的抑制剂。在整个设计过程中，他们采用了多次初筛的办法将Maybridge数据库（61186个分子）和LeadQuest数据库（37841个分子）进行过滤。首先利用Lipinski的“5规则”将数据库缩小为5904个；然后利用FlexS与已知抑制剂进行相似性筛选，得到了100个候选化合物；最后将这100个分子利用FlexX程序进行对接筛选，从中挑选出13个进行生物活性测试，结果7个分子的IC50值达到了微摩尔级别。5/9/202448计算机辅助药物设计抗艾滋病药物的发现——虚拟筛选艾滋病病毒,人类免疫缺陷病毒humanimmunodeficiencyvirus,HIV5/9/202449计算机辅助药物设计1.HIV-1蛋白酶（HIV-PR）,所催化的水解反应在艾滋病病毒导入人体细胞过程中起着重要的作用

2.高效的HIV-PR抑制剂为治疗艾滋病的有效药物

3.肽类HIV-PR抑制剂生物性质不稳定，吸收性差，易被代谢分解，因此口服给药无效5/9/202450计算机辅助药物设计1.X-射线晶体结构2.搜寻数据库3.生物测试:高选择性,高活性(Ki=0.1nM)5/9/202451计算机辅助药物设计抗SARS冠状病毒药物的设计

——基于SARS-CoV3CL蛋白酶的虚拟筛选严重急性呼吸道综合征病原体——SARS冠状病毒5/9/202452计算机辅助药物设计SARS-Cov感染宿主细胞起重要作用的结构蛋白•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，核衣壳蛋白）•多聚酶（polymerase）•类3C蛋白酶（3Clikeproteinase,3CL）5/9/202453计算机辅助药物设计3CL蛋白酶作为抗SARS药物筛选靶点的优点•在冠状病毒复制过程中起着重要作用•有许多已知抑制剂，便于迅速开发•较易表达，有利于加紧研究•有较高的同源性，可用同源法模建三维结构模型5/9/202454计算机辅助药物设计步骤1.同源模建(1)3CL蛋白酶序列(GenBank)与各类冠状病毒蛋白酶序列（PDB）作序列分析和同源性分析（BLAST程序）人冠状病毒；鼠科肝炎病毒；猪传染性腹泻病毒；猫传染性腹膜炎病毒；禽传染性支气管炎病毒；猪冠状病毒；传染性胃肠炎病毒(2)传染性胃肠炎病毒（TGEV）的蛋白酶Mpro与3CL蛋白酶有极高的同源性，特别在底物结合口袋（活性部位）(3)以TGEVMpro的X-射线晶体结构为模板，模建3CL蛋白酶三维结构（Sybyl6.8/SiteID程序）5/9/202455计算机辅助药物设计结果（1）所建模型与TGEVMpro晶体结构基本重叠（2）3CL蛋白酶的折叠方式与TGEVMpro相同，结合口袋的结构以及空间特征几乎一样3CL蛋白酶结构与Mpro蛋白酶晶体结构的重叠图3CL蛋白酶的缎带模型5/9/202456计算机辅助药物设计步骤2.分析酶-配体作用模型两种蛋白酶的结合部位(Sybyl6.8程序)中,小分子C能以同样的方式与两种酶的结合口袋契合A.TGEVMPRo蛋白酶B.SARS3CL蛋白酶C.蛋白酶抑制剂两种蛋白酶的底物结合口袋的表面特征因此，3CL蛋白酶模建模型或TGEVMpro的晶体结构均可作为筛选抗SARS药物的结构模型5/9/202457计算机辅助药物设计步骤3.虚拟筛选以SARS冠状病毒3CL蛋白酶三维结构模型和TGEVMpro

为筛选模型作虚拟筛选（SGIOrigin3800超级计算机和392CPU的神威1号超级计算机）ACD数据库、MDDR数据库、SPECS数据库、中国天然产物数据库（CNPD）和国家药物筛选中心内部样品库——共数十万个化合物（1）DOCK4.0作初筛，选出得分高的前1000个化合物；（2）用Cscore软件和AutoDock3.0软件作评价，从每个数

据库中挑选出100个得分最高的化合物结果：共找到300个可能具有抗SARS冠状病毒潜力的候选化合物5/9/202458计算机辅助药物设计步骤4药理测试（1）用病毒3CL蛋白酶分子水平筛选模型筛选候选化合物——发现了7个具有高活性的化合物（2）在P3实验室中作SARS病毒感染细胞水平的测试，发现5-HT受体拮抗剂（肉桂硫胺，Cinanserin）有明显的抗SARS病毒感染和保护细胞的作用（3）申请专利，以CADD作结构优化5/9/202459计算机辅助药物设计

美普他酚双配体衍生物与AChE的对接研究阿尔茨海默症（Alzheimer’sDisease，AD）与乙酰胆碱（ACh）水平降低和对乙酰胆碱酯酶AChE诱导的β-淀粉样蛋白（Aβ）聚集有关治疗AD的药靶：乙酰胆碱酯酶（AChE）和β-淀粉样蛋白AChE抑制剂：美普他酚（Meptazinol）研究发现Aβ的