医药卫生生物信息学与药物设计.pptx

第三讲生物信息学与药物设计 田卫群田卫群 武汉大学基础医学院生物医学工程系武汉大学基础医学院生物医学工程系学习要求l l了解生物信息学在药物设计中的作用及其意义。了解生物信息学在药物设计中的作用及其意义。了解生物信息学在药物设计中的作用及其意义。了解生物信息学在药物设计中的作用及其意义。l l理解计算机辅助药物设计的基本原理和步骤。理解计算机辅助药物设计的基本原理和步骤。理解计算机辅助药物设计的基本原理和步骤。理解计算机辅助药物设计的基本原理和步骤。l l掌握三个基本概念：组合化学、高通量筛选和计掌握三个基本概念：组合化学、高通量筛选和计掌握三个基本概念：组合化学、高通量筛选和计掌握三个基本概念：组合化学、高通量筛选和计算机辅助药物设计。算机辅助药物设计。算机辅助药物设计。算机辅助药物设计。l l初步学会常见计算机化学软件的使用方法。初步学会常见计算机化学软件的使用方法。初步学会常见计算机化学软件的使用方法。初步学会常见计算机化学软件的使用方法。WHO提出世界公认的医学难题？疾病中的四大顽症？l l恶性肿瘤l l艾滋病l l呼吸道疾病（哮喘，过敏性鼻炎，肺气肿）l l糖尿病/乙肝一种治疗哮喘、过敏性鼻炎的新药一种治疗哮喘、过敏性鼻炎的新药l l孟鲁司特简介（英文名：Montelukast）孟鲁司特化学分子结构l l分子式分子式 C C3535H H3636ClNOClNO3 3S Sl l分子量分子量 608.18608.18l l功能：功能：为选择性白三烯为选择性白三烯为选择性白三烯为选择性白三烯D4D4受体拮抗剂受体拮抗剂受体拮抗剂受体拮抗剂 ，有，有阻断过阻断过阻断过阻断过敏介质的作用敏介质的作用敏介质的作用敏介质的作用 。Crystal structure of human leukotriene A(4)hydrolase,a bifunctional enzyme in inflammation 新新药药研研发发重重点点领领域域中国新药创制路在何方？l l山东新华制药股份有限公司耗费山东新华制药股份有限公司耗费山东新华制药股份有限公司耗费山东新华制药股份有限公司耗费2020余年心血研发出的两个余年心血研发出的两个余年心血研发出的两个余年心血研发出的两个国家一类新药乙氧苯柳胺软膏（国家一类新药乙氧苯柳胺软膏（国家一类新药乙氧苯柳胺软膏（国家一类新药乙氧苯柳胺软膏（19971997）和三苯双脒肠溶片）和三苯双脒肠溶片）和三苯双脒肠溶片）和三苯双脒肠溶片（20042004），居然不被市场所认可。，居然不被市场所认可。，居然不被市场所认可。，居然不被市场所认可。l l近年来，该公司每年投资约近年来，该公司每年投资约近年来，该公司每年投资约近年来，该公司每年投资约80008000万万万万90009000万元研发新药，万元研发新药，万元研发新药，万元研发新药，发现了七个有效化合物，但最终只有两个做成了一类新药。发现了七个有效化合物，但最终只有两个做成了一类新药。发现了七个有效化合物，但最终只有两个做成了一类新药。发现了七个有效化合物，但最终只有两个做成了一类新药。漫长的新药研发历程漫长的新药研发历程(10-15 years)制药业属“三高”产业(高投资、高风险、高利润)！新药临床前研究主要内容1 生物信息学与新药发现的关系生物信息学与新药发现的关系Impact of Structural Genomics on Drug DiscoveryDry,S.et.al.(2000)Nat.Struc.Biol.7:976-949.Dry,S.et.al.(2000)Nat.Struc.Biol.7:976-949.Problem 1:新药发现如何摆脱大量数据的困扰？l l过去，药物学家面临的主要问题过去，药物学家面临的主要问题过去，药物学家面临的主要问题过去，药物学家面临的主要问题如何获取尽如何获取尽如何获取尽如何获取尽可能多的数据，寻找有潜在药效生物活性的先导可能多的数据，寻找有潜在药效生物活性的先导可能多的数据，寻找有潜在药效生物活性的先导可能多的数据，寻找有潜在药效生物活性的先导化合物（化合物（化合物（化合物（Leading compounds)Leading compounds)？依赖大量依赖大量依赖大量依赖大量的的的的随机筛选随机筛选随机筛选随机筛选（周期长、数量大、花费大周期长、数量大、花费大周期长、数量大、花费大周期长、数量大、花费大）l l现在，由于生命科学进入现在，由于生命科学进入现在，由于生命科学进入现在，由于生命科学进入组学时代组学时代组学时代组学时代各种生物分支各种生物分支各种生物分支各种生物分支学科信息的大量涌现，药物学家面临的主要问题学科信息的大量涌现，药物学家面临的主要问题学科信息的大量涌现，药物学家面临的主要问题学科信息的大量涌现，药物学家面临的主要问题如何摆脱大量数据的困扰，更快更好地发现如何摆脱大量数据的困扰，更快更好地发现如何摆脱大量数据的困扰，更快更好地发现如何摆脱大量数据的困扰，更快更好地发现新化合物实体新化合物实体新化合物实体新化合物实体（New chemical entitiesNew chemical entities，NCENCE）？依赖生物信息学技术的依赖生物信息学技术的依赖生物信息学技术的依赖生物信息学技术的虚拟筛选虚拟筛选虚拟筛选虚拟筛选（Virtual Virtual screeningscreening)()(周期短、成本低、效率高周期短、成本低、效率高周期短、成本低、效率高周期短、成本低、效率高）生物信息学与新药研制生物信息学与新药研制 未来的药物研究过程将是未来的药物研究过程将是未来的药物研究过程将是未来的药物研究过程将是基于生物信息学基于生物信息学基于生物信息学基于生物信息学 （bioinformatics)bioinformatics)知识挖掘知识挖掘知识挖掘知识挖掘的过程的过程的过程的过程数据处理和数据处理和关联分析关联分析发现药物发现药物作用对象作用对象确定靶标确定靶标分子分子?合理药合理药物设计物设计 Rational drug design如何寻找药靶如何寻找药靶?基于生物信息学的新药设计分子生物学实验方法结构生物学结构生物学 计算机辅助计算机辅助 药物设计药物设计新药研究存在两个技术瓶颈与疾病相关的与疾病相关的靶标生物大分子靶标生物大分子（蛋白质、（蛋白质、核酸、多糖分子等，一般称为核酸、多糖分子等，一般称为受体受体）的结）的结构生物学构生物学三维结构确证三维结构确证；具有生物活性的具有生物活性的小分子药物小分子药物（一般称为（一般称为配配体体或或底物底物）的）的设计设计和发展。和发展。组学时代-药物开发新技术平台l l药物基因组学药物基因组学（pharmacogenomics）是是20世纪世纪90年代末发展起来的基于功能基因组学年代末发展起来的基于功能基因组学（functional genomics）与分子药理学的一与分子药理学的一门科学。门科学。l l阿尔茨海默病（阿尔茨海默病（AD）的研究是药物基因组学）的研究是药物基因组学最好的例证。例如，最好的例证。例如，胆碱酯酶抑制剂胆碱酯酶抑制剂多奈派多奈派齐和塔克林药物临床应用新进展。齐和塔克林药物临床应用新进展。药物蛋白质组学l l通过对疾病和正常细胞中蛋白质组进行比较，通过对疾病和正常细胞中蛋白质组进行比较，发现一些疾病相关蛋白质。这些新的蛋白质发现一些疾病相关蛋白质。这些新的蛋白质可以成为药物筛选的作用靶点或是相关疾病可以成为药物筛选的作用靶点或是相关疾病的分子标志物。的分子标志物。l l例如血管紧张素转化酶（例如血管紧张素转化酶（ACE）就已被鉴定）就已被鉴定为在其活性部位含有锌离子的一个金属变构为在其活性部位含有锌离子的一个金属变构酶。这导致了抗高血压药物酶抑制剂卡托普酶。这导致了抗高血压药物酶抑制剂卡托普利利(captopril)及其类似物的药物设计。及其类似物的药物设计。新药发现的两个技术平台l l生物信息学和结构生物学的迅猛发展为以生物信息学和结构生物学的迅猛发展为以生物信息学和结构生物学的迅猛发展为以生物信息学和结构生物学的迅猛发展为以组合化学组合化学组合化学组合化学（combinatorial chemistry)combinatorial chemistry)、高通量筛选高通量筛选高通量筛选高通量筛选（high high throughput screening,HTS)throughput screening,HTS)数据库作为基础的数据库作为基础的数据库作为基础的数据库作为基础的虚虚虚虚拟药物筛选拟药物筛选拟药物筛选拟药物筛选计算机辅助药物设计计算机辅助药物设计计算机辅助药物设计计算机辅助药物设计提供了极其重提供了极其重提供了极其重提供了极其重要的条件。要的条件。要的条件。要的条件。l l生物信息学在药物研究过程中的应用，主要体现在生物信息学在药物研究过程中的应用，主要体现在生物信息学在药物研究过程中的应用，主要体现在生物信息学在药物研究过程中的应用，主要体现在结构分子生物学与计算化学（结构分子生物学与计算化学（结构分子生物学与计算化学（结构分子生物学与计算化学（分子模拟分子模拟分子模拟分子模拟）两方面。）两方面。）两方面。）两方面。生物信息学与结构生物学生物信息学与结构生物学2 组合化学(Combinatorial Chemistry)组合化学是一门将化学合成、组合理组合化学是一门将化学合成、组合理 论、计算机辅助设计及机器人结合为一体论、计算机辅助设计及机器人结合为一体 的技术。它根据组合原理在短时间内将不的技术。它根据组合原理在短时间内将不 同构建模块以共价键系统地、反复地进行同构建模块以共价键系统地、反复地进行 连接，从而产生大批的分子多样性群体，连接，从而产生大批的分子多样性群体，形成形成化合物库化合物库(Compound-library)；然；然 后，运用组合原理，以巧妙的手段对化合后，运用组合原理，以巧妙的手段对化合 物库进行筛选、优化，得到可能有目标物库进行筛选、优化，得到可能有目标 性能的化合物结构的科学。性能的化合物结构的科学。合成技术合成技术 组合化学合成化合物库的制备包括固组合化学合成化合物库的制备包括固相合成和液相合成两种技术，一般模块的相合成和液相合成两种技术，一般模块的制备以液相合成为主，而库的建立以固相制备以液相合成为主，而库的建立以固相(有有 Merrifield 树脂、树脂、sheppard 树脂树脂、Tentagel 树脂树脂、Rink 树脂、树脂、Wang 树脂树脂等等）合成为主。合成为主。目前采用的技术有多中心合成法、茶目前采用的技术有多中心合成法、茶袋法、光控合成法、珠袋法、光控合成法、珠-肽法和混合肽法和混合-均匀均匀法等。法等。组合化学应用新药物的合成与筛选 组合化学应用最多的是在新药设计、合成和组合化学应用最多的是在新药设计、合成和筛选方面。筛选方面。将组合化学将组合化学(随机设计，合理筛选随机设计，合理筛选)与与合理药合理药物设计物设计(合理设计，随机筛选合理设计，随机筛选)两种不同的方法联两种不同的方法联用设计合成了新奇的胶原酶抑制剂，能够抑制引用设计合成了新奇的胶原酶抑制剂，能够抑制引起癌转移和关节炎的胶原酶起癌转移和关节炎的胶原酶(Coll-agenases),有利于获得更加有效的抑制癌细胞转移和治疗关有利于获得更加有效的抑制癌细胞转移和治疗关节炎的新药。节炎的新药。What is HTS?l l高通量筛选（high throughput screening）是指应用计算机控制操作技术，对大量化合物进行微量样品的自动化检测方法。l l检测方法有：放射性配体结合测定法；以细胞为基础的MTT法、MTS法；以cAMP为基础的受体测定法；转录活化酶测定法；以钙离子为基础的荧光测定法等。应用举例 高通量筛选法对苦瓜中降血糖活性成分的研究高通量筛选法对苦瓜中降血糖活性成分的研究 （2007.12）应用举例l l应用逆转录酶，溶合酶和蛋白水解复合靶筛选抗艾滋病药物；l l应用蛋白激酶或Fura-2/AM法作为靶筛选抗肿瘤药、抗糖尿病药和抗关节炎药物。3 计算机辅助药物设计 计算机辅助药物设计大致包括活性位点分析法、计算机辅助药物设计大致包括活性位点分析法、计算机辅助药物设计大致包括活性位点分析法、计算机辅助药物设计大致包括活性位点分析法、数据库搜寻、全新药物设计。数据库搜寻、全新药物设计。数据库搜寻、全新药物设计。数据库搜寻、全新药物设计。1 1 1 1、活性位点分析软件有活性位点分析软件有活性位点分析软件有活性位点分析软件有DRIDDRIDDRIDDRID、GREENGREENGREENGREEN、HSITEHSITEHSITEHSITE等。另外等。另外等。另外等。另外 还有一些基于蒙特卡罗、模拟退火技术的软件如还有一些基于蒙特卡罗、模拟退火技术的软件如还有一些基于蒙特卡罗、模拟退火技术的软件如还有一些基于蒙特卡罗、模拟退火技术的软件如MCSSMCSSMCSSMCSS、HINTHINTHINTHINT、BUCKETSBUCKETSBUCKETSBUCKETS等。等。等。等。2 2 2 2、数据库搜寻方法软件有数据库搜寻方法软件有数据库搜寻方法软件有数据库搜寻方法软件有CatalystCatalystCatalystCatalyst和和和和UnitUnitUnitUnit。最具代表。最具代表。最具代表。最具代表性的分子对接软件主要有性的分子对接软件主要有性的分子对接软件主要有性的分子对接软件主要有 DOCKDOCKDOCKDOCK、F1exXF1exXF1exXF1exX和和和和GOLDGOLDGOLDGOLD。3 3 3 3、全新药物设计主要软件有全新药物设计主要软件有全新药物设计主要软件有全新药物设计主要软件有LUDILUDILUDILUDI、LeapfrogLeapfrogLeapfrogLeapfrog、GROWGROWGROWGROW、SPROUSPROUSPROUSPROU以及北京大学来鲁华等开发的以及北京大学来鲁华等开发的以及北京大学来鲁华等开发的以及北京大学来鲁华等开发的LigBuilderLigBuilderLigBuilderLigBuilder等，等，等，等，其中其中其中其中LUDILUDILUDILUDI最为常用。最为常用。最为常用。最为常用。STRUCTURE-BASED DRUG DESIGN Compound databases,Microbial broths,Plants extracts,Combinatorial Libraries3-D ligand DatabasesDockingLinking orBindingReceptor-LigandComplexRandomscreening synthesisLead molecule3-D QSARTarget Enzymeor Receptor3-D structure by Crystallography,NMR,electron microscopy orHomology ModelingRedesign to improve affinity,specificity etc.Testing4 抗艾滋病毒（HIV）药物设计实例分析HIV的复制机理 HIV(human immunodeficiency virus)HIV(human immunodeficiency virus)是一种直是一种直是一种直是一种直径为径为径为径为100nm100nm的的的的RNARNA病毒，复制周期如下图所示：病毒，复制周期如下图所示：病毒，复制周期如下图所示：病毒，复制周期如下图所示：以酶为靶点的抗HIV药物酶抑制剂设计研究进展1 1、HIVHIV逆转录酶抑制剂（第一代抗逆转录酶抑制剂（第一代抗逆转录酶抑制剂（第一代抗逆转录酶抑制剂（第一代抗HIVHIV药物）药物）药物）药物）最先获得美国最先获得美国最先获得美国最先获得美国FDAFDA批准的是批准的是批准的是批准的是 3-3-叠氮基叠氮基叠氮基叠氮基 22，33脱氧胸苷（脱氧胸苷（脱氧胸苷（脱氧胸苷（Zidovudine,AZTZidovudine,AZT）,商品名为齐多商品名为齐多商品名为齐多商品名为齐多夫定。夫定。夫定。夫定。问题：问题：问题：问题：易产生耐药病毒株，较大的毒副作用。易产生耐药病毒株，较大的毒副作用。易产生耐药病毒株，较大的毒副作用。易产生耐药病毒株，较大的毒副作用。2 2、HIVHIV蛋白酶抑制剂（第二代抗蛋白酶抑制剂（第二代抗蛋白酶抑制剂（第二代抗蛋白酶抑制剂（第二代抗HIVHIV药物）药物）药物）药物）现有三种现有三种现有三种现有三种HIVHIV1 1蛋白酶抑制剂蛋白酶抑制剂蛋白酶抑制剂蛋白酶抑制剂 saqninavir,saqninavir,ritonavirritonavir和和和和 indinavir indinavir 已经成为治疗已经成为治疗已经成为治疗已经成为治疗HIVHIV的临床药的临床药的临床药的临床药物。物。物。物。第三代？l l随着对膜融合机理研究的进展和对艾滋病毒的表面糖蛋白gp160(gp120+gp41)结构的研究，科学家们认识到gp41是最理想的艾滋病药物设计靶标。2003年3月，由瑞士罗氏制药及美国Trimeris公司共同开发的世界上第一个以gp41作为药物靶蛋白的药物T-20，获得FDA批准在美国和欧洲上市，由此标志着第三代抗艾滋病药物代抗艾滋病药物膜融合抑制剂的诞生。用于治疗艾滋病用于治疗艾滋病(AIDS)的第一代药物的第一代药物 第二代抗艾滋病毒药物抗艾滋病药物研究进展 HIV-1蛋白酶抑制剂设计过程分析 上世纪上世纪90年代初，年代初，Wlodawer等获得了全等获得了全合成的合成的HIV蛋白酶蛋白酶的晶体结构，证实了的晶体结构，证实了 HIV蛋白酶以二聚体的形式产生活性，同时也证蛋白酶以二聚体的形式产生活性，同时也证实了人们假设的如同天然蛋白质实了人们假设的如同天然蛋白质 HIV蛋白酶蛋白酶具有双折叠螺旋对称性。由于具有双折叠螺旋对称性。由于 HIV 蛋白酶蛋白酶是同源二聚体，其活性部位具有二重轴对称是同源二聚体，其活性部位具有二重轴对称性性，因此，所设计的，因此，所设计的抑制剂也应具有同样的抑制剂也应具有同样的对称性对称性才可能有较高的抑制活性。才可能有较高的抑制活性。1、KuntzKuntz等利用等利用DOCKDOCK程序研究程序研究HIVHIV1 1蛋蛋白酶，根据分子相似性对剑桥晶体数据白酶，根据分子相似性对剑桥晶体数据库库CSDCSD进行搜寻，得到化合物进行搜寻，得到化合物（6 6）haloperidolhaloperidol，通过测试，其对，通过测试，其对HIVHIV1 1蛋白酶的抑制常数蛋白酶的抑制常数K Ki i值为：值为：100mol100molL L。2、进一步的结构改造得到化合物、进一步的结构改造得到化合物（7）thioletal，其对，其对HIV1蛋白酶的抑制蛋白酶的抑制常数常数Ki 值高达值高达15molL。3、DesJarlais RL 等利用等利用DOCK程序的一个程序的一个改进版改进版target-DOCK搜寻搜寻HIV1蛋白酶抑蛋白酶抑制剂，得到一系列制剂，得到一系列HIV1蛋白酶抑制剂，蛋白酶抑制剂，其中活性最高的化合物（其中活性最高的化合物（8）其）其 Ki 值为值为7molL。HIV 蛋白酶分子三维模拟l l分子模拟软件分子模拟软件：Accelrys ViewerLite 5.0Accelrys ViewerLite 5.0几种常用的结构数据库1、蛋白质结构数据库 PDB(protein data bank)由美国布鲁克海文国家实验室开发，可免费 提供网络查询。网址为 http:/www.rcsb.org/pdb/2、有机小分子结构数据库CSD(cambridge structural database)3、北京大学生物信息服务中心建立了PDB库镜像服务器，网址为 http:/ l课外完成一篇25003000字的读书报告；l l要求围绕本课程所讲内容，结合自己的兴要求围绕本课程所讲内容，结合自己的兴趣或研究方向，题目自拟趣或研究方向，题目自拟；l l报告格式及其具体要求另行通知。报告格式及其具体要求另行通知。Thank you!E-mail:Tel.:[phone](o);13971632152