基于受體結(jié)構(gòu)的藥物分子設(shè)計

1、2013化學(xué)諾貝爾獎--多尺度模型,由馬丁?卡普拉斯、邁克爾?萊維特、阿里耶?瓦謝勒創(chuàng)立的“多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型”翻開了化學(xué)史的“新篇章”。在由這三位科學(xué)家研發(fā)出的多尺度模型的輔助下，堪比光速的化學(xué)反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移得以被追蹤。例如，在模擬藥物如何同身體內(nèi)的目標(biāo)蛋白耦合時，計算機(jī)會對目標(biāo)蛋白中與藥物相互作用的原子執(zhí)行量子理論計算；而使用要求不那么高的經(jīng)典物理學(xué)來模擬其余的大蛋白，從而精確掌握藥物發(fā)生作用的全過程。,匯報人：zy指導(dǎo)老師

2、：ws,基于受體結(jié)構(gòu)的藥物分子設(shè)計,引言,建國以來，我國的藥學(xué)研究和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)有了很大的發(fā)展，但總體上仍以仿制為主，自己創(chuàng)制的新藥僅占2％-3％。隨著國際上知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的各項法規(guī)在我國逐步實行，新藥的研制已日益顯示出其重要性和緊迫性。然而，新藥的尋找至今仍是一件耗資巨大而效率很低的工作，據(jù)國際上近年來的統(tǒng)計，研制成功一種新藥，平均需要花費10～12年的時間，耗資2.0億～3.5億美元，并且這一費用正以每年20％的速度遞增。近年來，應(yīng)用各種

3、理論計算方法和分子模擬技術(shù)，進(jìn)行計算機(jī)輔助藥物設(shè)計(Computer-aided Drug Design, CADD)，已成為國際上十分活躍的研究領(lǐng)域。,計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的概念,計算機(jī)輔助藥物設(shè)計是藥物化學(xué)發(fā)展的重要分支，更是合理藥物設(shè)計的重要手段。該方法認(rèn)為藥物分子與生物大分子如受體、酶、核酸、轉(zhuǎn)運蛋白和離子通道等的相互作用是分子設(shè)計的理論依據(jù)。藥物配體分子與受體分子結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)信息是研究這種相互作用乃至藥物設(shè)計的基礎(chǔ)。,2.3

4、計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的意義,指導(dǎo)有目的地開發(fā)新藥，減少盲目性和偶然性。加快研制新藥速度，節(jié)省人力、物力和財力。為研究者提供理論思維形象化的表達(dá)，直觀設(shè)計，理解和解釋實驗結(jié)果。 局限： 只是輔助性工具，仍需研究者的經(jīng)驗判斷和指導(dǎo)。,第一個SBDD方法設(shè)計的新藥碳酸酐酶抑制劑Dorzolamide（多佐胺） (治療青光眼疾病)于1994年上市Wellcome公司用CADD方法設(shè)計的5－HT1D受體激動劑 311C9

5、0 (治療偏頭痛) ，進(jìn)入三期臨床研究美國Eli Lilly公司開發(fā)的第一個高效、高選擇性人體非胰腺分泌型磷脂酶抑制劑LY311727,進(jìn)入臨床研究,4個已上市的HIV-1蛋白酶抑制劑類藥物的研制過程中，計算機(jī)輔助藥物設(shè)計起了重要作用2個凝血酶抑制劑已進(jìn)入臨床研究Glaxo開發(fā)的唾液酸酶抑制劑4-胍基Nen5Ac2en (抗感冒藥物)進(jìn)入臨床研究嘌呤核苷磷酸化酶抑制劑B3X-34-治療牛皮癬，進(jìn)入臨床三期治療糖尿病藥物(醛糖還

6、原酶抑制劑)上市,CADD應(yīng)用實例,提 綱,7,III 全新藥物設(shè)計,Ⅰ 靶蛋白結(jié)構(gòu)的預(yù)測,II 分子對接與虛擬篩選,目前測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要方法仍然是X-射線衍射和多維核磁共振技術(shù)，但由于各自的局限性，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測定速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于基因組測序和氨基酸序列的測定速度，無法滿足蛋白組學(xué)及其相關(guān)的學(xué)科需求，因此產(chǎn)生了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測方法。,1.1 靶蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測的由來,X-射線晶體學(xué)(X-ray crystallography),通過對衍射

7、的位置、強(qiáng)度計算，讀出原子坐標(biāo)值，解析結(jié)構(gòu)得到晶體空間結(jié)構(gòu), 計算機(jī)分子模型技術(shù)可將上述數(shù)學(xué)數(shù)值和符號轉(zhuǎn)化為高分辨率的分子。,化合物測定須得到單晶蛋白質(zhì)結(jié)晶蛋白質(zhì)-藥物復(fù)合物結(jié)晶X射線晶體學(xué)測得的是晶體狀態(tài)下的優(yōu)勢構(gòu)象,核磁共振技術(shù)(NMR),優(yōu)勢：可測定溶液中分子結(jié)構(gòu)優(yōu)勢構(gòu)象，更好代表生物環(huán)境下的分子，還能研究動力學(xué)特征。避免了培養(yǎng)蛋白單晶的困難 不足：僅適用于小蛋白,1.2 靶蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測的分類,包括蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)

8、測和活性位點的分析方法。根據(jù)預(yù)測蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)方法不同把靶蛋白結(jié)構(gòu)的預(yù)測分為1.蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)測同源建模折疊識別從頭預(yù)測2.活性位點的分析方法,,1.2.1.1同源建模,此方法需要目標(biāo)蛋白質(zhì)至少有一個已知三維結(jié)構(gòu)的同源蛋白質(zhì)，且兩者有較高的相似性。一般而言，如果目標(biāo)蛋白質(zhì)與模板序列的相似性大于50%，主鏈的均方根（RMS）僅有0.1nm左右，可以與中等分辨率的磁共振或低分辨率X-射線衍射得到的結(jié)果相媲美；如果相似性介于30

9、%-50%，則可以得到中等精確的結(jié)果，此時約90%主鏈部分的均方根為0.15nm?？梢姡话闱闆r下當(dāng)兩個蛋白質(zhì)的序列同源性高于30%時，它們的三維結(jié)構(gòu)也基本相同。目前常用的序列對比程序有FASTA和BLAST,同源建模步驟：,1.目標(biāo)序列與模板序列的比對,2.根據(jù)同源蛋白質(zhì)的多重序列比對結(jié)果，確定同源蛋白的結(jié)構(gòu)保守區(qū)以及相應(yīng)的框架結(jié)構(gòu),3.目標(biāo)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)保守區(qū)的主鏈建模,4.目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變異區(qū)的主鏈建模,5.側(cè)鏈的安裝和優(yōu)化,1.

10、2.1.2 折疊識別,使用條件：目標(biāo)蛋白質(zhì)找不到已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)做模板。方法：總結(jié)出已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模式做為目標(biāo)蛋白質(zhì)進(jìn)行匹配的模式，然后經(jīng)過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫觀察，總結(jié)出可以區(qū)分正誤結(jié)構(gòu)的平均勢函數(shù)做為判別標(biāo)準(zhǔn)，來選擇最佳的匹配方式。分類：基于序列的折疊識別方法，利用的是目標(biāo)序列與模板序列之間的進(jìn)化信息進(jìn)行折疊識別，其中PSI-BLAST是應(yīng)用最廣泛的一個程序；利用結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行折疊識別的方法一般是將蛋白質(zhì)三維性質(zhì)如二級結(jié)構(gòu)、溶解性等轉(zhuǎn)

11、化為一級線性信息。,1.2.1.3從頭預(yù)測,方法：僅從蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)預(yù)測其高級結(jié)構(gòu)，不需要任何一個目標(biāo)序列的同源蛋白質(zhì)。狀況：尚未成熟，但發(fā)展?jié)摿薮?，一旦獲得巨大突破，將有助于人們理解蛋白質(zhì)折疊的過程，影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素等基本問題。,1.2.2 活性位點的分析方法,活性位點分析方法是通過探針來探測簡單的分子或碎片如何能夠與生物大分子的活性位點很好地結(jié)合。通過它們與活性位點的相互作用情況，可以找到這些分子或碎片在活性部位中的

12、可能的結(jié)合位置。用這種方法雖然不能直接產(chǎn)生完整的配體分子，但它得到的有關(guān)受體的信息對后面的設(shè)計和分子對接有很好的指導(dǎo)意義。,提 綱,18,III 全新藥物設(shè)計,Ⅰ 靶蛋白結(jié)構(gòu)的預(yù)測,II 分子對接與虛擬篩選,,目前以受體結(jié)構(gòu)為主的藥物設(shè)計可分為分子對接和全新藥物設(shè)計，前者是以受體結(jié)構(gòu)來搜尋配體，后者是根據(jù)受體活性位置來構(gòu)建配體。,,定義：分子對接是通過研究小分子配體與大分子受體的相互作用，預(yù)測其結(jié)合模式和親和力，進(jìn)而實現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)的藥物

13、設(shè)計的一種重要方法。根據(jù)配體和受體作用的鎖鑰原理，分子對接可有效確定與靶點受體活性部位空間和電性特征互補(bǔ)匹配的小分子化合物。,2.1分子對接,分子對接,分子對接的分類,1.根據(jù)對接過程中是否考慮研究體系的構(gòu)象變化，將其分為：剛性對接：連接體系的構(gòu)象在對接過程中不發(fā)生變化；半柔性對接：在對接過程中研究體系中的配體構(gòu)象允許在一定范圍內(nèi)變化；柔性對接：連接體系的構(gòu)象在對接過程中可自由變化。,2.根據(jù)對接時配體分子的形式分:整體分子對

14、接：運用特定搜索算法考察配體分子在受體的結(jié)合部位，根據(jù)評分函數(shù)找出最優(yōu)組合方式；片段對接法：將配體分子視為若干片段結(jié)構(gòu)的集合，先將其中一個或機(jī)構(gòu)基本片段放入結(jié)合空腔，然后在活性部位構(gòu)建分子的其余部分，最終得到理論上最優(yōu)的結(jié)合方式。,分子對接的最初思想起源于Fisher E提出的“鎖和鑰匙模型”。即受體與配體的相互識別首要條件是空間結(jié)構(gòu)的匹配,配體 受體 復(fù)合物

15、,受體－配體的鎖和鑰匙模型,分子對接的基本原理,藥物與受體的結(jié)合強(qiáng)度取決于結(jié)合的自由能變化,△ G = △ H - △ S T = -RT ln K,大部分的分子對接法忽略了全部的熵效應(yīng)，而在焓效應(yīng)也只考慮配體與受體的相互作用能，即：,Einteraction= Evdw + Eelectrostatic + Eh-bondElectrostatic（靜電力）,目前已開發(fā)的分子對接軟件有DOCK、FlexX、Affinity 等。D

16、OCK開發(fā)最早、運用最廣泛。之前只考慮到了配體與受體的剛性對接，但隨著算法的不斷優(yōu)化，后來開始考慮配體柔性 ；FlexX近幾年發(fā)展迅速，已獲得廣泛應(yīng)用。是一種快速、精確的柔性對接算法，在對接時考慮配體分子的許多構(gòu)象。Affinity不僅考慮了配體的柔性，而且受體的重要作用部位也可定義為柔性區(qū)域，因此計算量較大，比較適合深入考察配體與受體相互作用模式，而不適用于基于分子對接法的三維數(shù)據(jù)庫搜索。,DOCK進(jìn)行藥物設(shè)計的基本步驟：,結(jié)合部

17、位模擬，即應(yīng)用程序產(chǎn)生一個填充受體分子表面的口袋或凹槽的球集，然后將其整理成一系列的假定結(jié)合位點,評價打分，打分函數(shù)有基于經(jīng)驗的回歸參數(shù)的方法；基于分子力場的方法和基于知識的方法、基于知識的打分函數(shù) 。,在假定的結(jié)合位點上，應(yīng)用一組球集表示配體，按照匹配原則確定配體與受體的作用位點，一般要求4個以上匹配點,,,受體的活性位點,配體,有效匹配的距離圖集,受體－配體的示意圖，字母代表特征部分如氫鍵等，相應(yīng)的有效匹配的圖集如右，三個環(huán)性頂點組

18、織的三角形為這個圖集的一個最大團(tuán)(clique),Oh boy! What a perfect match,這類方法首先要建立大量化合物（例如幾十至上百萬個化合物）的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，然后將庫中的分子逐一與靶標(biāo)分子進(jìn)行“對接（docking），通過不斷優(yōu)化小分子化合物的位置（取向）以及分子內(nèi)部柔性鍵的二面角（構(gòu)象），尋找小分子化合物與靶標(biāo)大分子作用的最佳構(gòu)象，計算其相互作用及結(jié)合能。在庫中所有分子均完成了對接計算之后，即可從中找出與靶標(biāo)分

19、子結(jié)合的最佳分子（前50名或前100名）,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),2.2 虛擬篩選,定義：一般把基于分子對接的數(shù)據(jù)庫搜索方法稱為虛擬篩選，但實際應(yīng)用中只要是通過某種提問形式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫搜索的方法都可以統(tǒng)稱為虛擬篩選。 意義：大大提高了篩選化合物的速率和效率，縮短新藥研究的周期，大大節(jié)省了經(jīng)費了開銷。,2.2 虛擬篩選的具體流程,包括4個步驟：受體模型的建立；小分子庫的產(chǎn)生；計算機(jī)篩選和命中

20、化合物的后處理。,第一步，受體模型的建立：,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備是虛擬篩選的重要一步。虛擬篩選的蛋白靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)可以從PDB庫中直接下載使用；也可以通過和家族中同源蛋白的序列、結(jié)構(gòu)信息比較，同源模建而得,1）大分子結(jié)構(gòu)獲取,2）接著是結(jié)合位點的描述，選擇合適的配體結(jié)合口袋對分子對接至關(guān)重要,一種是直接從配體－受體復(fù)合物結(jié)構(gòu)中抽出；,選擇口袋有兩種方式：,如果沒有復(fù)合物結(jié)構(gòu)，則需要根據(jù)生物功能如結(jié)合、突變等實驗信息來手動選擇結(jié)合部位,第二步，建

21、立小分子數(shù)據(jù)庫,二維結(jié)構(gòu)用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換程序如CORINA、CONCORD實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。建好的三維結(jié)構(gòu)加氫加電荷后，便可以用于對接程序。,第三步，對接和打分，這一步是虛擬篩選的核心步驟。,對接操作就是把每個小分子放到受體蛋白的配體結(jié)合位點，優(yōu)化配體構(gòu)像和位置，使之與受體有最佳的結(jié)合作用，給最佳結(jié)合構(gòu)象打分，對所有化合物根據(jù)打分排序，然后從化合物庫中挑出打分最高的小分子。,最后一步是命中化合物的后處理,通過計算分子的類藥性質(zhì)ADME/T

22、(吸收absorption、器官分布distribution、體內(nèi)代謝metabolism、排泄excretion 和毒性toxicity)性質(zhì)的估算，排除那些不具有類藥性質(zhì)的分子。,可以利用一些經(jīng)驗規(guī)則如 Lipinski（利平斯基） “五規(guī)則” 等，快速排除那些不適合進(jìn)一步藥物開發(fā)的分子。,通過以上四步處理，大部分分子從化合物庫中剔除，形成一個合理大小的化合物庫，僅對這些適合成藥的化合物或購買、或合成、或分離得到，然后再進(jìn)行實際的生

23、物測試。,實例： SARS冠狀病毒3C-like蛋白酶抑制劑的設(shè)計,熊兵等人結(jié)合同源模建、分子虛擬篩選的方法設(shè)計了抗SARS冠狀病毒3C-like蛋白酶的抑制劑。,SARS冠狀病毒3C－like蛋白酶在SARS病毒其他功能蛋白的形成過程中起重要作用，阻斷SARS病毒3C－like蛋白酶的作用可以阻止SARS病毒的復(fù)制，并最終達(dá)到治療SARS的目的,在TGEV（可傳播性胃腸炎病毒 ）的主蛋白酶三維晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了SARS病毒的3C

24、－like蛋白酶三維結(jié)構(gòu),SARS病毒的3C-like蛋白酶的三維模建結(jié)構(gòu),通過序列聯(lián)配和采用MOLCAD/SYBYL活性位點分析，表明SARS病毒3C-like蛋白酶和TGEV主蛋白酶兩者的結(jié)合口袋比較類似,同一結(jié)構(gòu)家族的組織蛋白酶抑制劑分別與SARS冠狀病毒3C-like蛋白酶和TGEV的主蛋白酶的復(fù)合物模型,從圖中可以看出兩者的作用模式也是十分類似。,SARS病毒3C-like蛋白酶和TGEV主蛋白酶與抑制劑結(jié)合圖,在SARS病毒

25、3C-like蛋白酶活性位點確定之后，再通過查詢MDDR數(shù)據(jù)庫得到了73個蛋白酶抑制劑的小分子數(shù)據(jù)，對SARS病毒3C-like蛋白酶和TGEV的主蛋白酶進(jìn)行了分子對接參數(shù)的調(diào)節(jié)和優(yōu)化。,結(jié)果表明大多數(shù)分子與兩個蛋白酶的結(jié)合相似，并且對DOCK打分進(jìn)行相關(guān)性分析，表明結(jié)合能力較為一致,在優(yōu)化好的3Cl蛋白酶的三維結(jié)構(gòu)模型和DOCK對接程序參數(shù)的基礎(chǔ)上，對含有數(shù)十萬多個小分子化合物庫用DOCK 4.0初篩，從每一個數(shù)據(jù)庫篩選結(jié)果中選擇DO

26、CK打分前1000名的分子，進(jìn)一步做類藥性分析和多種評價函數(shù)包括SYBYL中的Cscore打分函數(shù)和,Autodock的經(jīng)驗自由能評價方法進(jìn)行打分，再根據(jù)藥物化學(xué)家的經(jīng)驗來進(jìn)行人工挑選，最終對每個數(shù)據(jù)庫選擇100個分子進(jìn)行生物測試，這次虛擬篩選找到300個可能具有抗SARS冠狀病毒的候選化合物，發(fā)現(xiàn)了7個具有高活性的化合物，進(jìn)一步的細(xì)胞水平的實驗，發(fā)現(xiàn)5-HT受體拮抗劑具有明顯的抗SARS病毒感染和保護(hù)細(xì)胞的作用，其EC50（半最大效應(yīng)

27、濃度）值小于10mg/L，這一研究成果已經(jīng)申請專利。,提 綱,45,III 全新藥物設(shè)計,Ⅰ 靶蛋白結(jié)構(gòu)的預(yù)測,II 分子對接與虛擬篩選,全新藥物設(shè)計,全新藥物設(shè)計也稱為從頭設(shè)計，它是根據(jù)靶點活性部位的形狀和性質(zhì)要求，通過計算機(jī)自動構(gòu)建出結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)互補(bǔ)的新配體分子。,模板定位法－－在受點用模板構(gòu)建出一個形狀互補(bǔ)的三維分子骨架，再根據(jù)受體的性質(zhì)把分子骨架轉(zhuǎn)化為具體的分子結(jié)構(gòu)原子生長法－－根據(jù)靶點的性質(zhì)，如靜電、氫鍵和疏水性等，逐個

28、地增加原子，配上與受點形狀和性質(zhì)互補(bǔ)的分子，基本構(gòu)建塊為原子分子碎片法－－在受體分子的活性部位，根據(jù)靜電、疏水和氫鍵相互作用，以碎片為模版，逐步生長出性質(zhì)與形狀互補(bǔ)的分子,全新藥物設(shè)計的方法,模板庫，與受體性狀互補(bǔ)的模版放在活性位點。,從有關(guān)數(shù)據(jù)庫搜索與受體受點結(jié)合的原子或原子團(tuán),模板定位法：在受體的結(jié)合位點用模版構(gòu)建出一個形狀互補(bǔ)的三維分子骨架。,原子生長法(atom build)：在受體的表面逐個增加原子，

29、形成與結(jié)合位點性狀和性質(zhì)互補(bǔ)的分子。,起始點種類：1. 已知配體或配體的一部分； 2. 受體結(jié)合位點表面形成較強(qiáng)結(jié)合的原子(錨原子、種子原子)。,碎片生長法：每個碎片由單一官能團(tuán)（如羰基、羥基或苯環(huán)等）構(gòu)成，以碎片逐個生長來構(gòu)建成一個分子。,碎片連接法：是指首先產(chǎn)生的與靶點活性部位匹配的各種分子碎片通過連接子連接成為一個完整的分子的方法。,搜尋碎片,搜尋連接子,氫鍵位點,疏水位點,在活性位點上匹配碎片,在相鄰位點上匹配碎片；與放好

30、的碎片連接,碎片生長法：從起始碎片開始，按照與原子生長法類似的方法，以碎片為單位，逐漸生長出與靶點匹配的完整分子。,優(yōu)點: 配體結(jié)構(gòu)可能是全新的，不受現(xiàn)有知識的約束,也不受人的思維束縛。 該方法既可用于先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)，也可用于對先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。缺點:可能只是理論分子，僅對接有效，且可能不易合成。該法設(shè)計出的分子有時會是一些“超級分子”，雖然能和靶點很好的結(jié)合，但由于含有太多的原子種類或過多的化學(xué)鍵類型，缺乏合理性和實用