基于分子动力学的柔性受体分子对接在计算机辅助药物设计虚拟筛选中的研究和应用

本项目以分子动力学模拟技术在计算机辅助药物设计中的应用为基本背景，以引入小分子配体和柔性半柔性蛋白对接为切入点，编写分子动态模拟的虚拟筛选软件程序包：程序的编写建立在现有分子动力学模拟软件CHARMM和MMTSB的基础上，以提高基于受体结构的药物设计虚拟筛选的成功率和选择性为基本目标，把前期发展的分子对接柔性半柔性蛋白模型和分子动态模拟退火循环算法应用到虚拟筛选中去。通过对目标蛋白已知晶体结构信息的多少和结构特点，在柔性配体和柔性蛋白的分子动态对接中应用分层次的蛋白三维结构多样性约束，并结合筛选小型精选的FDA药物数据库和蛋白质资料库里的小分子配体，来满足实用性的需要。重点对药物配体数据库的小分子化合物拓扑结构和力场参数的建立，蛋白质配体对接初始化构象的优化，分子动态模拟退火循环算法的发展，分层次的蛋白三维结构多样性约束的柔性建模，对接姿势评分函数的改善等部分关键问题展开研究。

虚拟筛选被大规模应用于活性化合物的发现，是创新药物研究的核心技术之一。它可分为基于分子对接的靶向虚拟筛选，以及包括形状分析、药效基团建模等方法在内的基于配体结构的虚拟筛选。前期工作表明靶向虚拟筛选的命中率高低很大程度上要取决于所用受体结构的好坏。我们首先提出了一个用于靶向筛选受体结构高效优选的新算法和其筛选性能指数SPI。该算法可用于从大量的蛋白实验或理论计算结构中快速优选出一个或几个受体结构。这些蛋白受体结构有助于在靶向药物数据库虚拟筛选中从命中的先导化合物列表中尽可能多地识别出活性化合物。该算法只考虑对接已知的活性分子到蛋白实验结构而不考虑大量诱饵化合物从而可显著降低计算成本。其次，在该算法基础上我们应用系综对接，并结合形状分析、药效团模型和逆向对接等计算方法，开展了对核糖体S6激酶2（RSK2）、丝裂原活化和应激活化激酶1（MSK1）和肽基辅氨酰顺反异构酶1（PIN1）等肿瘤和肿瘤干细胞异常高表达蛋白以及BRAF/MEK/ERK/RSK信号通路多基因靶标的小分子药物设计，发现了分别针对这些靶标的小分子抑制剂如光甘草定、尼氟灭酸、白杨素衍生化合物69407和水飞蓟宾、丹酚酸A、圣草次苷和补骨脂乙素等。再次，我们使用以往建立的采用分子动力学模拟退火循环寻找蛋白质-配体系统最低能量点并接以聚类和相似性分析的极小采矿方法研究了一个多肽和胰岛素受体蛋白激酶的对接，发现了多肽在胰岛素受体蛋白激酶催化结构域中的对接和释放的途径可能不同，以及观察到ATP参与多肽底物的释放过程从而可间接证实一个分离性磷酸转移机理。对多肽和蛋白在原子水平上的分子对接途径研究，将有助于发展可针对多肽抑制剂设计的柔性半柔性蛋白模型，并用于发展基于分子动力学的柔性受体对接的虚拟筛选新方法。这个课题的研究还为我国开发具有自主知识产权结构的一类抗癌新药，具有十分重要的社会意义和应用价值。