计算机辅助药物设计PPT参考幻灯片

1、计算机辅助药物设计分子对接及虚拟筛选,孙丽丹 2014.12.09,1,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,2,理论基础,3,合理药物设计(Rational drug design，RDD),运用基于机理、结构和性质的药物设计(Mechanism, structure and property based drug design, 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(Computer aided, D

2、D)，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=RDD,4,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,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,分子对接及虚拟筛选,20,虚拟筛选（virtual screening, 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

3、，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,21,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,22,虚拟筛选技术的分类,23,基于结构虚拟筛选一般流程图,24,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：,25,分子对接计算是把配体分

4、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 。,26,分子对接最初思想起源于Fisher E.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。,27,1958年Koshland提出了分子识别过程中的诱导契合（i

5、nduced fit）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。,28,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,29,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，

6、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。,30,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,31,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,32,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

7、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。,33,34,目的： 评判配体分子和受体结合能力的强弱。 含义： 先对同一个分子的不同结合构象，评价各构象的结合好坏。 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,35,36,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,37,分子对接软件,表1：有代表性的分子对接软件,38,分子对接流

8、程,39,40,(一) 靶点结构的预处理,41,42,43,44,常用的数据库有MDL数据库、SPECS数据库和 CNPD（Chinese Natural Product Database）数据库,(二) 小分子数据库的预处理,45,46,分子对接实例,47,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（61 186 个分子）和LeadQuest 数据库（37 841 个分子）进行过滤。首先利用Lipinski 的“5 规则”将数据库缩小为5

9、904 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。,48,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 human immunodeficiency virus, HIV,49,1.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

10、,50,1. 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 = 0.1 nM),51,抗SARS冠状病毒药物的设计基于SARS-CoV 3CL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,52,SARS-Cov 感染宿主细胞起重要作用的结构蛋白, E蛋白（small envelope protein，小信封蛋白） S蛋白（spike glycoprotein，刺突糖蛋白） M蛋白（membrane protein，膜蛋白） N蛋白（nucleocapsid protein，核衣壳蛋白） 多聚酶（polymerase） 类3C蛋白酶（3C l

11、ike proteinase, 3CL）,53,3CL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,54,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

12、位） (3) 以TGEV Mpro的X-射线晶体结构为模板，模建3CL蛋白酶三维结构（Sybyl 6.8 / SiteID程序）,55,结果,（1）所建模型与TGEV Mpro 晶体结构基本重叠 （2）3CL蛋白酶的折叠方式与TGEV Mpro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,56,步骤2. 分析酶-配体作用模型,两种蛋白酶的结合部位(Sybyl 6.8 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. TGEV MPRo蛋白酶 B. SARS 3CL蛋白酶 C. 蛋白酶抑制剂,两种蛋白酶的底物结合

13、口袋的表面特征,因此，3CL蛋白酶模建模型或TGEV Mpro的晶体结构均可作为筛选抗SARS药物的结构模型,57,步骤3. 虚拟筛选,以SARS冠状病毒3CL蛋白酶三维结构模型和TGEV Mpro 为 筛选模型作虚拟筛选（SGI Origin 3800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） DOCK 4.0作初筛，选出得分高的前1000个化合物； （2）用Cscore软件和AutoDock 3.0软件作评价，从每个数 据库中挑选出100个得分最高的化

14、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,58,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,59,美普他酚双配体衍生物与AChE的对接研究,阿尔茨海默症（Alzheimers Disease，AD）与乙酰胆碱（ACh）水平降低和对乙酰胆碱酯酶AChE诱导的-淀粉样蛋白（A）聚集有关 治疗AD 的药靶： 乙酰胆碱酯酶（AChE）和-淀粉样蛋白 AChE抑制剂：美普他酚（Meptazinol） 研究发现A的聚集与AChE上的外周阴离子位点（PAS）有关 Xie Q et al. J. Med. Chem. 2008,51(7):2027,60,美普他酚双配体类似物的设计,在美普他酚分子中通过引入不同长度连接链，希望使另一个配体能与PAS相互作用,合成n=2-12的多个美普他酚双配体类似物，发现n=9的AChE抑制活性最强（IC503.9nM）, 比美普他酚高2万倍，同时对AChE诱导的A聚集具有明显的抑制作用（IC5079M）, 具双重作用.,61,以分子对接证明作用模式,小鼠乙酰胆碱酯酶（mAC