生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件

生物信息學(xué)bioinformatics生物科學(xué)學(xué)院生物工程教研室生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用BioinformaticsandtheDiscoveryofDrugs生物工程教研室生物信息學(xué)bioinformatics生物科學(xué)學(xué)院生物工程1Leadingcausesofdeath(U.S.,1999) numberof %totalRank

Cause

deaths

deaths1 heartdisease 725,192 30.32 malignantneoplasm 549,192 23.03 cerebrovasculardisease 167,366 7.04 chroniclowerrespiratory 124,181 5.25 accidents 97,860 4.16 diabetesmellitus 68,399 2.97 influenza,pneumonia 63,730 2.78 Alzheimer’sdisease 44,536 1.99 nephritis&related 35,525 1.5septicemia 30,680 1.3 allother 491,399 20.2Source:NationalVitalStatisticsReports49(11):1-87,2001.

Leadingcausesofdeath(U.S.,2生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件3DrugDiscovery&DevelopmentIdentifydiseaseIsolateproteininvolvedindisease(2-5years)Findadrugeffectiveagainstdiseaseprotein(2-5years)Preclinicaltesting(1-3years)Formulation&Scale-upHumanclinicaltrials(2-10years)FDAapproval(2-3years)FileINDFileNDADrugDiscovery&DevelopmentId4ModerndrugdiscoveryprocessTargetidentificationTargetvalidationLeadidentificationLeadoptimizationPreclinicalphase

2-5yearsDrugdiscoveryisanexpensiveprocessinvolvinghighR&DcostandextensiveclinicaltestingAtypicaldevelopmenttimeisestimatedtobe10-15yearsandUS$0.3~0.5billions.6-9yearsModerndrugdiscoveryproc5BioinformaticsAreImpactingThisProcess

生物信息學(xué)在新藥研究中發(fā)揮作用的兩個方面：IsolateproteinFinddrugPreclinicaltestingDrugTargetDiscovery藥物靶點發(fā)現(xiàn)Structure-baseddrugdesign藥物設(shè)計BioinformaticsAreImpactingT69.1生物信息學(xué)與新藥開發(fā)中的基本概念藥物（drug）：與體內(nèi)的靶物質(zhì)（通常是蛋白質(zhì)）相互作用，通過這種相互作用引起生理反應(yīng)加強或阻止靶標(biāo)進(jìn)行正常生理活動，已達(dá)到治療人類疾病的目的。

藥物重要參數(shù)：LogP疏水常數(shù)、ADME/Tox：其中Absorption（吸收），Distribution（分布），Metabolism（代謝），Excretion（排泄），Toxic（毒性）。藥物靶標(biāo)（drugtarget）：指導(dǎo)致疾?。―iseaseorDisorder）或與疾病產(chǎn)生密切相關(guān)的生物大分子，包括蛋白質(zhì)（酶、受體、離子通道），核酸（DNA、RNA），糖類等。藥物可與其專一的結(jié)合來加強或者阻止它進(jìn)行正常生理活動。9.1生物信息學(xué)與新藥開發(fā)中的基本概念藥物（drug）：與體7先導(dǎo)化合物（leadmolecule）：是指具有一定藥理活性的、可通過結(jié)構(gòu)改造來優(yōu)化其藥理特性而可能導(dǎo)致藥物發(fā)現(xiàn)的特殊化合物。先導(dǎo)物的來源：主要有天然產(chǎn)物（植物、動物、微生物、海洋生物等）提取、偶然發(fā)現(xiàn)、隨機篩選、老藥新用等。Aspirin先導(dǎo)物的優(yōu)化：先導(dǎo)化合物未必是可實用的優(yōu)良藥物，可能由于藥效不強，特異性不高，藥物代謝動力學(xué)性質(zhì)不合理，或毒性較大等特點，不能直接藥用，但作為新的結(jié)構(gòu)類型和線索物質(zhì)，需要對其進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)修飾和改造，來獲得理想的藥物。先導(dǎo)化合物（leadmolecule）：是指具有一定藥理活8生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件9該類物質(zhì)是一類重要的化工原料，主要在塑料業(yè)中用做增塑劑。目前普遍認(rèn)為，生物體中的該類物質(zhì)是從環(huán)境中攝取并儲存于體內(nèi)，而非生物自身代謝產(chǎn)生的。海綿中此物質(zhì)的含量在一定程度上可以顯示海水的污染狀況。因此我國南海海域的污染問題已不容忽視。該類物質(zhì)是一類重要的化工原料，主要在塑料業(yè)中用做增塑劑。目前10高通量藥物篩選(HighThroughputScreening,HTS)：是近年發(fā)展起來的藥物篩選新方法。這一方法集計算機控制、自動化操作、高靈敏度檢測、數(shù)據(jù)結(jié)果和自動采集和處理于一體，實現(xiàn)了藥物篩選的快速、微量、靈敏和大規(guī)模，日篩選量達(dá)到數(shù)千甚至數(shù)萬樣品次。高通量藥物篩選(HighThroughputScreen11生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件12虛擬篩選：是上述藥物設(shè)計方法的延伸和推廣，可定義為：針對重要疾病特定靶標(biāo)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)或定量構(gòu)效關(guān)系(Quantitativestructure-activityrelationships,QSAR)模型，從現(xiàn)有小分子數(shù)據(jù)庫中，搜尋與靶標(biāo)生物大分子結(jié)合或符合QSAR模型的化合物，進(jìn)行篩選實驗研究。藥效基團(tuán)：通常是指那些可以與受體結(jié)合位點形成氫鍵相互作用、靜電相互作用、范德華相互作用和疏水相互作用的原子或官能團(tuán)。對一組具有生物活性的化合物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析和比較，找出其共同的特征結(jié)構(gòu)，即可建立藥效基團(tuán)的模型。虛擬篩選：是上述藥物設(shè)計方法的延伸和推廣，可定義為：針對重要13定量構(gòu)效關(guān)系：狹義的構(gòu)效關(guān)系(Structure-activityrelationships,SAR)是藥物的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時生物活性的定性變化經(jīng)驗規(guī)律。定量構(gòu)效關(guān)系(Quantitativestructure-activityrelationships,QSAR)是由SAR發(fā)展而來的，是采用數(shù)學(xué)模式來描述藥物的生物活性與結(jié)構(gòu)間的定量依賴關(guān)系所謂QSAR就是通過一些數(shù)理統(tǒng)計方法建立起一系列化合物的生理活性或某種性質(zhì)與其物理化學(xué)性質(zhì)之間的定量關(guān)系。組合化學(xué)：在每一步反應(yīng)過程中加入各種不同的能夠參與反應(yīng)的化合物基團(tuán)，利用組合的原理，使各種不同的基本結(jié)構(gòu)的基團(tuán)以組合的方式參與反應(yīng)，在結(jié)果一定反應(yīng)步驟后就可以獲得各種結(jié)構(gòu)不同的化合物。定量構(gòu)效關(guān)系：狹義的構(gòu)效關(guān)系(Structure-activ14生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件15一、藥物靶標(biāo)的識別：識別潛在的合適的疾病靶標(biāo)二、先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)：尋找與之相作用的藥物即先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)，包導(dǎo)化合物，也就是說它應(yīng)該有理想藥物的部分但并非全部的生物活性，對象到化合物進(jìn)行化學(xué)修飾三、修飾后產(chǎn)生的候選藥物，有更好的治療效果，通過評估這些候選藥物的質(zhì)量，通過這些測試的候選藥物便被注冊為研發(fā)中新藥，一、藥物靶標(biāo)的識別：識別潛在的合適的疾病靶標(biāo)16四、提交臨床試驗Ⅰ期臨床試驗：初步的臨床藥理學(xué)及人體安全性評價試驗。Ⅱ期臨床試驗：治療作用初步評價階段。其目的是初步評價藥物對目標(biāo)適應(yīng)癥患者的治療作用和安全性，也包括為III期臨床試驗研究設(shè)計和給藥劑量方案的確定提供依據(jù)。Ⅲ期臨床試驗：治療作用確證階段。其目的是進(jìn)一步驗證藥物對目標(biāo)適應(yīng)癥患者的治療作用和安全性，評價利益與風(fēng)險關(guān)系，最終為藥物注冊申請獲得批準(zhǔn)提供充分的依據(jù)。Ⅳ期臨床試驗：新藥上市后由申請人自主進(jìn)行的應(yīng)用研究階段。五、臨床研究工作完成以后，將臨床研究總結(jié)資料以法規(guī)規(guī)定形式呈送給國家藥品監(jiān)督管理局,進(jìn)行全面審評，合格后獲得新藥證書及生產(chǎn)批文。四、提交臨床試驗179.2藥物開發(fā)中的生物信息學(xué)生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥中研究中發(fā)揮作用主要有兩個方面：藥物靶點發(fā)現(xiàn)藥物基本設(shè)計9.2藥物開發(fā)中的生物信息學(xué)生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥中研究中發(fā)揮18①基于生物信息學(xué)的藥物靶點發(fā)現(xiàn)主要的藥物靶標(biāo)：細(xì)胞膜受體約占靶標(biāo)總數(shù)的45%，酶占28%，激素和因子類占10%，離子通道占5%，核受體占2%，其它占7%。①基于生物信息學(xué)的藥物靶點發(fā)現(xiàn)19G蛋白偶聯(lián)受體：G蛋白偶聯(lián)受體(G-proteincoupledreceptor,GPCR)是一類具有7個跨膜螺旋的跨膜蛋白受體.GPCR的結(jié)構(gòu)特征和在信號傳導(dǎo)中的重要作用決定了其可以作為很好的藥物靶標(biāo)。與GPCRs家族相關(guān)疾病包括阿爾茨海默氏癥、帕金森癥、侏儒癥、色盲癥、色素性視網(wǎng)膜炎和哮喘等利用生物信息學(xué)手段尋找新的GPCR編碼基因(新的潛在藥物靶標(biāo))，并構(gòu)建GPCR分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫，一直是GPCR研究領(lǐng)域中的熱點G蛋白偶聯(lián)受體：利用生物信息學(xué)手段尋找新的GPCR編碼基20離子通道藥靶：細(xì)胞膜離子通道是調(diào)節(jié)細(xì)胞興奮性的一類重要膜蛋白結(jié)構(gòu)，也是僅次于G蛋白偶聯(lián)受體的藥物作用重要靶點。離子通道藥靶：21蛋白酶酶靶：在大約400個已知人類蛋白酶中，有大約14%被確認(rèn)為藥物靶標(biāo)。選擇藥物靶點的基本標(biāo)準(zhǔn)

與疾病之間的關(guān)系非常清楚;跟藥物能有一定的結(jié)合位點;最好結(jié)構(gòu)已經(jīng)清楚了，尤其是與藥物相互作用的位點;動物敲除（Knockout）這個基因不引起顯著的不良后果;當(dāng)然也要有一定的市場需求和銷量。蛋白酶酶靶：在大約400個已知人類蛋白酶中，有大約14%被確22藥物靶標(biāo)識別的生物信息學(xué)方法：基因組數(shù)據(jù)庫搜索：通過生物信息學(xué)方法對人類基因組序列進(jìn)行挖掘與靶標(biāo)相似的潛在靶標(biāo)。如：通過基因從頭預(yù)測和序列相似性搜索能夠在有效靶標(biāo)家族中發(fā)現(xiàn)新的成員。EST數(shù)據(jù)庫搜索：同源搜索組織差異表達(dá)差異搜尋：具有組織特異性表達(dá)的基因有可能成為特異性的副作用小的靶標(biāo)。基因微陣列方法與藥物靶標(biāo)預(yù)測：DNA芯片，又稱基因芯片或DNA陣列（DNAarray），將大量特定序列的寡聚核苷酸（DNA探針）有序地固化在硅或玻璃等材料作的承載基片上，使其能與靶基因進(jìn)行互補雜交形成DNA探針池。利用DNA芯片可以快速高效地獲取空前規(guī)模的生物信息，因而可用于發(fā)現(xiàn)疾病的相關(guān)基因，可以在基因組水平上來檢測基因表達(dá)模式特征譜和鑒定潛在的藥物靶標(biāo)。藥物靶標(biāo)識別的生物信息學(xué)方法：基因組數(shù)據(jù)庫搜索：通過生物信息23蛋白質(zhì)組學(xué)與藥物靶標(biāo)識別：應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)尋找新的藥物靶標(biāo)有以下幾種方法：：①比較病態(tài)與正常態(tài)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)表達(dá)差異；②比較給藥后病變與正常組織的蛋白質(zhì)表達(dá)差異；③從已知的生物活性尋找新的蛋白作為藥物靶點；④從蛋白質(zhì)間的相互作用尋找和驗證新的藥物靶點。蛋白質(zhì)組學(xué)與藥物靶標(biāo)識別：24SNP研究與藥物靶標(biāo)識別：單核苷酸多態(tài)性(singlenucleotidepolymorphism，SNP),主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性?？墒褂蒙镄畔W(xué)來決定一個基因的變異是否改變一個氨基酸而帶來影響。

不同的個體對藥物的敏感性和毒性反應(yīng)有很大的區(qū)別，這主要是由基因決定的,特別是藥物靶點基因、藥物代謝基因等的單核苷酸多態(tài)性，影響了藥物作用的強弱和藥物代謝的不同。因此對應(yīng)不同的snp個體應(yīng)該采用不同個體化治療達(dá)菲為羅氏制藥獨家生產(chǎn)的抗流感藥物，其通用名稱為磷酸奧司他韋（Oseltamivirphosphate）。高致病禽流感曾引起世界范圍內(nèi)的恐慌。美國FAD發(fā)現(xiàn)達(dá)菲在一定程度上有治療作用，瞬間成為搶手貨，但是，日本報道了數(shù)百例兒童服藥后導(dǎo)致精神混亂于2007年發(fā)布預(yù)警提示國民慎用達(dá)菲。而Nature雜志的評論員質(zhì)疑是日本國內(nèi)利益集團(tuán)和羅氏制藥集團(tuán)有不恰當(dāng)利益關(guān)系而進(jìn)行虛假報道。北京大學(xué)魏麗萍課題組用生物信息學(xué)分析提出了一個假設(shè)，用一個亞洲人特異性的單核苷酸多態(tài)性位點幾乎解釋了全部疑點SNP研究與藥物靶標(biāo)識別：單核苷酸多態(tài)性(singlenu25生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件26②藥物靶標(biāo)驗證技術(shù)兩方面的驗證靶標(biāo)的有效性，即藥物靶標(biāo)與疾病確實有關(guān)藥物靶標(biāo)的副作用，如果靶標(biāo)的活性調(diào)節(jié)不可避免的產(chǎn)生重大的副作用，將其選為靶標(biāo)也是不合適的②藥物靶標(biāo)驗證技術(shù)兩方面的驗證靶標(biāo)的有效性，即藥物靶標(biāo)與疾27基因水平上：DNA芯片技術(shù)：可以確定疾病細(xì)胞的基因表達(dá)模式特征譜和鑒定潛在的藥物靶標(biāo)基因敲除技術(shù)：通過DNA同源重組，使ES細(xì)胞（EmbryonicStemcell，ES）特定的內(nèi)源基因被破壞而造成功能喪失，然后再通過ES細(xì)胞介導(dǎo)得到該基因喪失的模式生物模型的過程稱為基因敲除(geneknockout)，又稱基因打靶技術(shù)，通過基因敲除試驗以檢測該基因缺失以后是否就丟失了某種功能，從而對該靶點進(jìn)行確證。RNAi（RNAinterference）：是一種新的基因抑制技術(shù)，它通過人為地引入與內(nèi)源靶基因具有同源序列的雙鏈RNA，從而誘導(dǎo)內(nèi)源靶基因的mRNA降解，達(dá)到阻止基因表達(dá)的目的。雙鏈RNA能夠高效特異性阻斷相應(yīng)基因的表達(dá)，其機理與反義RNA技術(shù)相似，基因水平上：DNA芯片技術(shù)：可以確定疾病細(xì)胞的基因表達(dá)模式特28基因表達(dá)譜：是通過構(gòu)建處于某一特定狀態(tài)下的細(xì)胞或組織的非偏性cDNA文庫，收集cDNA序列片段、定性、定量分析其mRNA群體組成，從而描繪該特定細(xì)胞或組織在特定狀態(tài)下的基因表達(dá)種類和豐度信息，這樣編制成的數(shù)據(jù)表就稱為基因表達(dá)譜。該表達(dá)譜實際上從mRNA水平反映了細(xì)胞或組織特異性表型和表達(dá)模式。蛋白質(zhì)水平的主要技術(shù)：酵母雙雜交、蛋白質(zhì)組學(xué)③靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)的相關(guān)資源介紹基因表達(dá)譜：是通過構(gòu)建處于某一特定狀態(tài)下的細(xì)胞或組織的非偏性29生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件30重點數(shù)據(jù)庫及軟件介紹：TTD:TherapeuticTargetDatabase

提供了已知或正在探索的可用作治療的蛋白質(zhì)靶點和核苷酸靶點的信息，以及與這些靶點對應(yīng)的靶疾病，靶通路和相應(yīng)的藥物/配體信息。DrugADMEAssociatedProteinDatabase

此數(shù)據(jù)庫提供了藥物吸收、分布、代謝和排泄相關(guān)蛋白的信息，目前包括321個蛋白條目。提供了已知的藥物ADME(Absorption，Distribution，Metabolism，Excretion)相關(guān)蛋白的功能、相似性、底物/配體、組織分布以及靶點性質(zhì)等信息。TRMP:TherapeuticallyRelevantMultiplePathwayDatabase提供了文獻(xiàn)中報道的可用于治療的靶點所參與的MultiplePathway信息，靶疾病的狀況以及靶點對應(yīng)的藥物/配體信息重點數(shù)據(jù)庫及軟件介紹：319.3藥物合理設(shè)計與篩選藥物合理設(shè)計與篩選也稱基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計與篩選(structure-baseddrugdesignandscreening)或稱合理發(fā)現(xiàn)（rationaldiscovery）。這種篩選的策略是將基于機制（尤其基于大分子三維結(jié)構(gòu)）的篩選與藥物合理設(shè)計融合為一體。有人稱理性藥物發(fā)現(xiàn)的時代尚未到來。藥物合理設(shè)計仍屬于輔助手段。但可以預(yù)見計算機藥物篩選將是未來創(chuàng)新藥物開發(fā)研究的新方法。9.4藥物設(shè)計的基本方法：傳統(tǒng)的藥物研制主要是從大量的天然產(chǎn)物中進(jìn)行篩選。得到一個可供臨床使和的藥物要耗費大量的時間與金錢。近年來由于生物信息學(xué)的發(fā)展，相當(dāng)數(shù)量的大分子三維結(jié)構(gòu)已被人們精確測定，使得基于蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計成為可能。9.3藥物合理設(shè)計與篩選藥物合理設(shè)計與篩選也稱基于結(jié)構(gòu)的藥物32計算機輔助藥物設(shè)計所涉及的兩類問題：對接問題確定藥效結(jié)構(gòu)的問題對接問題:是將小分子配體放置于受體的活性位點處，并尋找合理的取向和構(gòu)象使得配體與受體的形狀和相互作用能夠最佳匹配。分子對接有兩個核心問題，即如何找到最佳的結(jié)合位置以及如何評價對接分子之間的結(jié)合強度。分子對接方法:主要用來從化合物數(shù)據(jù)庫中搜尋與受體生物大分子有較好親和力的小分子，從而發(fā)現(xiàn)全新的先導(dǎo)化合物。常用軟件有：Dock和FlexDOCK由Kuntz小組于1982年開發(fā)，最新版本為DOCK5.0F1exX是一種快速、精確的柔性對接算法，在對接時考慮了配體分子的許多構(gòu)象。計算機輔助藥物設(shè)計所涉及的兩類問題：對接問題確定藥效結(jié)構(gòu)的問33生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件34確定藥效結(jié)構(gòu)的問題：通試驗發(fā)現(xiàn)受體的配體，然后利用配體的幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征，通過計算機的幫助得到受體的信息從而得到該類藥物的藥效結(jié)構(gòu)。①間接藥物設(shè)計方法早期，人們對于藥物作用的靶標(biāo)分子大多缺乏了解，只能從藥物小分子化合物的結(jié)構(gòu)和活性出發(fā)，去歸納和認(rèn)識藥物分子的構(gòu)效關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計藥物分子，這種藥物設(shè)計即為間接藥物設(shè)計。定量構(gòu)效關(guān)系(QuantitativeStructure-ActivityRelationship,QSAR)是一種重要的間接藥物設(shè)計方法。所謂定量構(gòu)效方法就是通過一些數(shù)理統(tǒng)計方法建立其一系列化合物的生理活性或某種性質(zhì)與其物理化學(xué)性質(zhì)之間的定量關(guān)系，通過這些定量關(guān)系。可以預(yù)測化合物的生理活性或某些性質(zhì)，指導(dǎo)我們設(shè)計出具有更高活性的化合物。一旦確定已知的化合物的生物活性與其結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，研究者就可以依據(jù)這一關(guān)系對化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以獲得更高的活性現(xiàn)代藥物設(shè)計大體分為兩類：間接藥物設(shè)計與直接藥物設(shè)計確定藥效結(jié)構(gòu)的問題：通試驗發(fā)現(xiàn)受體的配體，然后利用配體的幾何35②直接藥物設(shè)計方法:

如果受體或受體和配體相結(jié)合所形成的復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)知道，就可根據(jù)受點的三維要求設(shè)計新藥的結(jié)構(gòu)。如果受體蛋白僅知其組成的氨基酸順序而不知其空間排列，則可根據(jù)同源蛋白模擬其三級結(jié)構(gòu)可以分為：全新藥物設(shè)計和數(shù)據(jù)庫搜尋（或者稱分子對接）兩大類全新藥物設(shè)計：根據(jù)受體活性部位的形狀和性質(zhì)要求，讓計算機自動構(gòu)建出形狀、性質(zhì)互補的新分子，該新分子能與受體活性部位很好地契合，從而有望成為新的先導(dǎo)化合物。數(shù)據(jù)庫與虛擬篩選：如果已經(jīng)掌握了足夠的有關(guān)靶標(biāo)以及與靶標(biāo)結(jié)合的化合物的信息，針對大的化合物數(shù)據(jù)庫的虛擬篩選非常具有吸引力，并可作為一種與高通量篩選互為補充的尋找先導(dǎo)化合物的方法。②直接藥物設(shè)計方法:如果受體或受體和配體相結(jié)合所形成的復(fù)369.5藥物設(shè)計相關(guān)資源介紹與藥物設(shè)計相關(guān)的研究期刊9.5藥物設(shè)計相關(guān)資源介紹與藥物設(shè)計相關(guān)的研究期刊37與藥物設(shè)計相關(guān)的蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫與藥物設(shè)計相關(guān)的蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫38與藥物設(shè)計相關(guān)的計算工具與藥物設(shè)計相關(guān)的計算工具399.6總結(jié)與展望

利用生物信息學(xué)進(jìn)行理性藥物發(fā)現(xiàn)的時代尚未到來，但是生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中不可替代的地位已成為不爭的事實，必將對新藥的研發(fā)產(chǎn)生深刻的影響。目前看來。關(guān)鍵是如何將現(xiàn)代生物技術(shù)、信息技術(shù)、計算機輔助藥物設(shè)計系統(tǒng)、組合化學(xué)技術(shù)等結(jié)合起來,提高篩選命中率，減少藥物在合成和篩選方面的時間和投入，最終找到高效、低毒且具有預(yù)期藥理作用的治療藥物。9.6總結(jié)與展望利用生物信息學(xué)進(jìn)行理性藥40思考題：1、藥物靶標(biāo)名解2、先導(dǎo)化合物名解3、生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥中研究中發(fā)揮作用主要有兩個方面4、主要的藥物靶標(biāo)5、說出一種分子對接的常用軟件思考題：1、藥物靶標(biāo)名解41DrugTargetAbsorption（吸收）Distribution（分布）Metabolism（代謝）Excretion（排泄）Toxic（毒性）G-proteincoupledreceptorIonchannelKnockoutDNAarraysinglenucleotidepolymorphismEmbryonicStemcellRNAinterferencestructure-baseddrugdesignandscreeningrationaldiscoverymalignantneoplasm本次課推薦單詞DrugTarget本次課推薦單詞42歡迎批評指正歡迎批評指正43生物信息學(xué)bioinformatics生物科學(xué)學(xué)院生物工程教研室生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用BioinformaticsandtheDiscoveryofDrugs生物工程教研室生物信息學(xué)bioinformatics生物科學(xué)學(xué)院生物工程44Leadingcausesofdeath(U.S.,1999) numberof %totalRank

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deaths

deaths1 heartdisease 725,192 30.32 malignantneoplasm 549,192 23.03 cerebrovasculardisease 167,366 7.04 chroniclowerrespiratory 124,181 5.25 accidents 97,860 4.16 diabetesmellitus 68,399 2.97 influenza,pneumonia 63,730 2.78 Alzheimer’sdisease 44,536 1.99 nephritis&related 35,525 1.5septicemia 30,680 1.3 allother 491,399 20.2Source:NationalVitalStatisticsReports49(11):1-87,2001.

Leadingcausesofdeath(U.S.,45生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件46DrugDiscovery&DevelopmentIdentifydiseaseIsolateproteininvolvedindisease(2-5years)Findadrugeffectiveagainstdiseaseprotein(2-5years)Preclinicaltesting(1-3years)Formulation&Scale-upHumanclinicaltrials(2-10years)FDAapproval(2-3years)FileINDFileNDADrugDiscovery&DevelopmentId47ModerndrugdiscoveryprocessTargetidentificationTargetvalidationLeadidentificationLeadoptimizationPreclinicalphase

2-5yearsDrugdiscoveryisanexpensiveprocessinvolvinghighR&DcostandextensiveclinicaltestingAtypicaldevelopmenttimeisestimatedtobe10-15yearsandUS$0.3~0.5billions.6-9yearsModerndrugdiscoveryproc48BioinformaticsAreImpactingThisProcess

生物信息學(xué)在新藥研究中發(fā)揮作用的兩個方面：IsolateproteinFinddrugPreclinicaltestingDrugTargetDiscovery藥物靶點發(fā)現(xiàn)Structure-baseddrugdesign藥物設(shè)計BioinformaticsAreImpactingT499.1生物信息學(xué)與新藥開發(fā)中的基本概念藥物（drug）：與體內(nèi)的靶物質(zhì)（通常是蛋白質(zhì)）相互作用，通過這種相互作用引起生理反應(yīng)加強或阻止靶標(biāo)進(jìn)行正常生理活動，已達(dá)到治療人類疾病的目的。

藥物重要參數(shù)：LogP疏水常數(shù)、ADME/Tox：其中Absorption（吸收），Distribution（分布），Metabolism（代謝），Excretion（排泄），Toxic（毒性）。藥物靶標(biāo)（drugtarget）：指導(dǎo)致疾病（DiseaseorDisorder）或與疾病產(chǎn)生密切相關(guān)的生物大分子，包括蛋白質(zhì)（酶、受體、離子通道），核酸（DNA、RNA），糖類等。藥物可與其專一的結(jié)合來加強或者阻止它進(jìn)行正常生理活動。9.1生物信息學(xué)與新藥開發(fā)中的基本概念藥物（drug）：與體50先導(dǎo)化合物（leadmolecule）：是指具有一定藥理活性的、可通過結(jié)構(gòu)改造來優(yōu)化其藥理特性而可能導(dǎo)致藥物發(fā)現(xiàn)的特殊化合物。先導(dǎo)物的來源：主要有天然產(chǎn)物（植物、動物、微生物、海洋生物等）提取、偶然發(fā)現(xiàn)、隨機篩選、老藥新用等。Aspirin先導(dǎo)物的優(yōu)化：先導(dǎo)化合物未必是可實用的優(yōu)良藥物，可能由于藥效不強，特異性不高，藥物代謝動力學(xué)性質(zhì)不合理，或毒性較大等特點，不能直接藥用，但作為新的結(jié)構(gòu)類型和線索物質(zhì)，需要對其進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)修飾和改造，來獲得理想的藥物。先導(dǎo)化合物（leadmolecule）：是指具有一定藥理活51生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件52該類物質(zhì)是一類重要的化工原料，主要在塑料業(yè)中用做增塑劑。目前普遍認(rèn)為，生物體中的該類物質(zhì)是從環(huán)境中攝取并儲存于體內(nèi)，而非生物自身代謝產(chǎn)生的。海綿中此物質(zhì)的含量在一定程度上可以顯示海水的污染狀況。因此我國南海海域的污染問題已不容忽視。該類物質(zhì)是一類重要的化工原料，主要在塑料業(yè)中用做增塑劑。目前53高通量藥物篩選(HighThroughputScreening,HTS)：是近年發(fā)展起來的藥物篩選新方法。這一方法集計算機控制、自動化操作、高靈敏度檢測、數(shù)據(jù)結(jié)果和自動采集和處理于一體，實現(xiàn)了藥物篩選的快速、微量、靈敏和大規(guī)模，日篩選量達(dá)到數(shù)千甚至數(shù)萬樣品次。高通量藥物篩選(HighThroughputScreen54生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件55虛擬篩選：是上述藥物設(shè)計方法的延伸和推廣，可定義為：針對重要疾病特定靶標(biāo)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)或定量構(gòu)效關(guān)系(Quantitativestructure-activityrelationships,QSAR)模型，從現(xiàn)有小分子數(shù)據(jù)庫中，搜尋與靶標(biāo)生物大分子結(jié)合或符合QSAR模型的化合物，進(jìn)行篩選實驗研究。藥效基團(tuán)：通常是指那些可以與受體結(jié)合位點形成氫鍵相互作用、靜電相互作用、范德華相互作用和疏水相互作用的原子或官能團(tuán)。對一組具有生物活性的化合物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析和比較，找出其共同的特征結(jié)構(gòu)，即可建立藥效基團(tuán)的模型。虛擬篩選：是上述藥物設(shè)計方法的延伸和推廣，可定義為：針對重要56定量構(gòu)效關(guān)系：狹義的構(gòu)效關(guān)系(Structure-activityrelationships,SAR)是藥物的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時生物活性的定性變化經(jīng)驗規(guī)律。定量構(gòu)效關(guān)系(Quantitativestructure-activityrelationships,QSAR)是由SAR發(fā)展而來的，是采用數(shù)學(xué)模式來描述藥物的生物活性與結(jié)構(gòu)間的定量依賴關(guān)系所謂QSAR就是通過一些數(shù)理統(tǒng)計方法建立起一系列化合物的生理活性或某種性質(zhì)與其物理化學(xué)性質(zhì)之間的定量關(guān)系。組合化學(xué)：在每一步反應(yīng)過程中加入各種不同的能夠參與反應(yīng)的化合物基團(tuán)，利用組合的原理，使各種不同的基本結(jié)構(gòu)的基團(tuán)以組合的方式參與反應(yīng)，在結(jié)果一定反應(yīng)步驟后就可以獲得各種結(jié)構(gòu)不同的化合物。定量構(gòu)效關(guān)系：狹義的構(gòu)效關(guān)系(Structure-activ57生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件58一、藥物靶標(biāo)的識別：識別潛在的合適的疾病靶標(biāo)二、先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)：尋找與之相作用的藥物即先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)，包導(dǎo)化合物，也就是說它應(yīng)該有理想藥物的部分但并非全部的生物活性，對象到化合物進(jìn)行化學(xué)修飾三、修飾后產(chǎn)生的候選藥物，有更好的治療效果，通過評估這些候選藥物的質(zhì)量，通過這些測試的候選藥物便被注冊為研發(fā)中新藥，一、藥物靶標(biāo)的識別：識別潛在的合適的疾病靶標(biāo)59四、提交臨床試驗Ⅰ期臨床試驗：初步的臨床藥理學(xué)及人體安全性評價試驗。Ⅱ期臨床試驗：治療作用初步評價階段。其目的是初步評價藥物對目標(biāo)適應(yīng)癥患者的治療作用和安全性，也包括為III期臨床試驗研究設(shè)計和給藥劑量方案的確定提供依據(jù)。Ⅲ期臨床試驗：治療作用確證階段。其目的是進(jìn)一步驗證藥物對目標(biāo)適應(yīng)癥患者的治療作用和安全性，評價利益與風(fēng)險關(guān)系，最終為藥物注冊申請獲得批準(zhǔn)提供充分的依據(jù)。Ⅳ期臨床試驗：新藥上市后由申請人自主進(jìn)行的應(yīng)用研究階段。五、臨床研究工作完成以后，將臨床研究總結(jié)資料以法規(guī)規(guī)定形式呈送給國家藥品監(jiān)督管理局,進(jìn)行全面審評，合格后獲得新藥證書及生產(chǎn)批文。四、提交臨床試驗609.2藥物開發(fā)中的生物信息學(xué)生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥中研究中發(fā)揮作用主要有兩個方面：藥物靶點發(fā)現(xiàn)藥物基本設(shè)計9.2藥物開發(fā)中的生物信息學(xué)生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥中研究中發(fā)揮61①基于生物信息學(xué)的藥物靶點發(fā)現(xiàn)主要的藥物靶標(biāo)：細(xì)胞膜受體約占靶標(biāo)總數(shù)的45%，酶占28%，激素和因子類占10%，離子通道占5%，核受體占2%，其它占7%。①基于生物信息學(xué)的藥物靶點發(fā)現(xiàn)62G蛋白偶聯(lián)受體：G蛋白偶聯(lián)受體(G-proteincoupledreceptor,GPCR)是一類具有7個跨膜螺旋的跨膜蛋白受體.GPCR的結(jié)構(gòu)特征和在信號傳導(dǎo)中的重要作用決定了其可以作為很好的藥物靶標(biāo)。與GPCRs家族相關(guān)疾病包括阿爾茨海默氏癥、帕金森癥、侏儒癥、色盲癥、色素性視網(wǎng)膜炎和哮喘等利用生物信息學(xué)手段尋找新的GPCR編碼基因(新的潛在藥物靶標(biāo))，并構(gòu)建GPCR分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫，一直是GPCR研究領(lǐng)域中的熱點G蛋白偶聯(lián)受體：利用生物信息學(xué)手段尋找新的GPCR編碼基63離子通道藥靶：細(xì)胞膜離子通道是調(diào)節(jié)細(xì)胞興奮性的一類重要膜蛋白結(jié)構(gòu)，也是僅次于G蛋白偶聯(lián)受體的藥物作用重要靶點。離子通道藥靶：64蛋白酶酶靶：在大約400個已知人類蛋白酶中，有大約14%被確認(rèn)為藥物靶標(biāo)。選擇藥物靶點的基本標(biāo)準(zhǔn)

與疾病之間的關(guān)系非常清楚;跟藥物能有一定的結(jié)合位點;最好結(jié)構(gòu)已經(jīng)清楚了，尤其是與藥物相互作用的位點;動物敲除（Knockout）這個基因不引起顯著的不良后果;當(dāng)然也要有一定的市場需求和銷量。蛋白酶酶靶：在大約400個已知人類蛋白酶中，有大約14%被確65藥物靶標(biāo)識別的生物信息學(xué)方法：基因組數(shù)據(jù)庫搜索：通過生物信息學(xué)方法對人類基因組序列進(jìn)行挖掘與靶標(biāo)相似的潛在靶標(biāo)。如：通過基因從頭預(yù)測和序列相似性搜索能夠在有效靶標(biāo)家族中發(fā)現(xiàn)新的成員。EST數(shù)據(jù)庫搜索：同源搜索組織差異表達(dá)差異搜尋：具有組織特異性表達(dá)的基因有可能成為特異性的副作用小的靶標(biāo)?；蛭㈥嚵蟹椒ㄅc藥物靶標(biāo)預(yù)測：DNA芯片，又稱基因芯片或DNA陣列（DNAarray），將大量特定序列的寡聚核苷酸（DNA探針）有序地固化在硅或玻璃等材料作的承載基片上，使其能與靶基因進(jìn)行互補雜交形成DNA探針池。利用DNA芯片可以快速高效地獲取空前規(guī)模的生物信息，因而可用于發(fā)現(xiàn)疾病的相關(guān)基因，可以在基因組水平上來檢測基因表達(dá)模式特征譜和鑒定潛在的藥物靶標(biāo)。藥物靶標(biāo)識別的生物信息學(xué)方法：基因組數(shù)據(jù)庫搜索：通過生物信息66蛋白質(zhì)組學(xué)與藥物靶標(biāo)識別：應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)尋找新的藥物靶標(biāo)有以下幾種方法：：①比較病態(tài)與正常態(tài)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)表達(dá)差異；②比較給藥后病變與正常組織的蛋白質(zhì)表達(dá)差異；③從已知的生物活性尋找新的蛋白作為藥物靶點；④從蛋白質(zhì)間的相互作用尋找和驗證新的藥物靶點。蛋白質(zhì)組學(xué)與藥物靶標(biāo)識別：67SNP研究與藥物靶標(biāo)識別：單核苷酸多態(tài)性(singlenucleotidepolymorphism，SNP),主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性?？墒褂蒙镄畔W(xué)來決定一個基因的變異是否改變一個氨基酸而帶來影響。

不同的個體對藥物的敏感性和毒性反應(yīng)有很大的區(qū)別，這主要是由基因決定的,特別是藥物靶點基因、藥物代謝基因等的單核苷酸多態(tài)性，影響了藥物作用的強弱和藥物代謝的不同。因此對應(yīng)不同的snp個體應(yīng)該采用不同個體化治療達(dá)菲為羅氏制藥獨家生產(chǎn)的抗流感藥物，其通用名稱為磷酸奧司他韋（Oseltamivirphosphate）。高致病禽流感曾引起世界范圍內(nèi)的恐慌。美國FAD發(fā)現(xiàn)達(dá)菲在一定程度上有治療作用，瞬間成為搶手貨，但是，日本報道了數(shù)百例兒童服藥后導(dǎo)致精神混亂于2007年發(fā)布預(yù)警提示國民慎用達(dá)菲。而Nature雜志的評論員質(zhì)疑是日本國內(nèi)利益集團(tuán)和羅氏制藥集團(tuán)有不恰當(dāng)利益關(guān)系而進(jìn)行虛假報道。北京大學(xué)魏麗萍課題組用生物信息學(xué)分析提出了一個假設(shè)，用一個亞洲人特異性的單核苷酸多態(tài)性位點幾乎解釋了全部疑點SNP研究與藥物靶標(biāo)識別：單核苷酸多態(tài)性(singlenu68生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件69②藥物靶標(biāo)驗證技術(shù)兩方面的驗證靶標(biāo)的有效性，即藥物靶標(biāo)與疾病確實有關(guān)藥物靶標(biāo)的副作用，如果靶標(biāo)的活性調(diào)節(jié)不可避免的產(chǎn)生重大的副作用，將其選為靶標(biāo)也是不合適的②藥物靶標(biāo)驗證技術(shù)兩方面的驗證靶標(biāo)的有效性，即藥物靶標(biāo)與疾70基因水平上：DNA芯片技術(shù)：可以確定疾病細(xì)胞的基因表達(dá)模式特征譜和鑒定潛在的藥物靶標(biāo)基因敲除技術(shù)：通過DNA同源重組，使ES細(xì)胞（EmbryonicStemcell，ES）特定的內(nèi)源基因被破壞而造成功能喪失，然后再通過ES細(xì)胞介導(dǎo)得到該基因喪失的模式生物模型的過程稱為基因敲除(geneknockout)，又稱基因打靶技術(shù)，通過基因敲除試驗以檢測該基因缺失以后是否就丟失了某種功能，從而對該靶點進(jìn)行確證。RNAi（RNAinterference）：是一種新的基因抑制技術(shù)，它通過人為地引入與內(nèi)源靶基因具有同源序列的雙鏈RNA，從而誘導(dǎo)內(nèi)源靶基因的mRNA降解，達(dá)到阻止基因表達(dá)的目的。雙鏈RNA能夠高效特異性阻斷相應(yīng)基因的表達(dá)，其機理與反義RNA技術(shù)相似，基因水平上：DNA芯片技術(shù)：可以確定疾病細(xì)胞的基因表達(dá)模式特71基因表達(dá)譜：是通過構(gòu)建處于某一特定狀態(tài)下的細(xì)胞或組織的非偏性cDNA文庫，收集cDNA序列片段、定性、定量分析其mRNA群體組成，從而描繪該特定細(xì)胞或組織在特定狀態(tài)下的基因表達(dá)種類和豐度信息，這樣編制成的數(shù)據(jù)表就稱為基因表達(dá)譜。該表達(dá)譜實際上從mRNA水平反映了細(xì)胞或組織特異性表型和表達(dá)模式。蛋白質(zhì)水平的主要技術(shù)：酵母雙雜交、蛋白質(zhì)組學(xué)③靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)的相關(guān)資源介紹基因表達(dá)譜：是通過構(gòu)建處于某一特定狀態(tài)下的細(xì)胞或組織的非偏性72生物信息學(xué)在創(chuàng)新藥物研究中的應(yīng)用課件73重點數(shù)據(jù)庫及軟件介紹：TTD:TherapeuticTargetDatabase

提供了已知或正在探索的可用作治療的蛋白質(zhì)靶點和核苷酸靶點的信息，以及與這些靶點對應(yīng)的靶疾病，靶通路和相應(yīng)的藥物/配體信息。DrugADMEAssociatedProteinDatabase

此數(shù)據(jù)庫提供了藥物吸收、分布、代謝和排泄相關(guān)蛋白的信息，目前包括321個蛋白條目。提供了已知的藥物ADME(Absorption，Distribution，Metabolism，Excretion)相關(guān)蛋白的功能、相似性、底物/配體、組織分布以及靶點性質(zhì)等信息。TRMP:TherapeuticallyRelevantMultiplePathwayDatabase提供了文獻(xiàn)中報道的可用于治療的靶點所參與的MultiplePathway信息，靶疾病的狀況以及靶點對應(yīng)的藥物/配體信息重點數(shù)據(jù)庫及軟件介紹：749.3藥物合理設(shè)計與篩選藥物合理設(shè)計與篩選也稱基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計與篩選(structure-baseddrugdesignandscreening)或稱合理發(fā)現(xiàn)（rationaldiscovery）。這種篩選的策略是將基于機制（尤其基于大分子三維結(jié)構(gòu)）的篩選與藥物合理設(shè)計融合為一體。有人稱理性藥物發(fā)現(xiàn)的時代尚未到來。藥物合理設(shè)計仍屬于輔助手段。但可以預(yù)見計算機藥物篩選將是未來創(chuàng)新藥物開發(fā)研究的新方法。9.4藥物設(shè)計的基本方法：傳統(tǒng)的藥物研制主要是從大量的天然產(chǎn)物中進(jìn)行篩選。得到一個可供臨床使和的藥物要耗費大量的時間與金錢。近年來由于生物信息學(xué)的發(fā)展，相當(dāng)數(shù)量的大分子三維結(jié)構(gòu)已被人們精確測定，使得基于蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計成為可能。9.3藥物合理設(shè)計與篩選藥物合理設(shè)計與篩選也稱基于結(jié)構(gòu)的藥物75計算機輔助藥物設(shè)計所涉及的兩類問題：對接問題