藥物生物信息學(xué)

關(guān)于藥物生物信息學(xué)第1頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)

藥物生物信息學(xué)概論

第2頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概念

生物信息學(xué)隨著人類基因組計劃的全面開展和深入而出現(xiàn)的一門新興的學(xué)科2004年2月已經(jīng)有170多個生物的基因組被測定，核苷酸數(shù)目達到200億對這些數(shù)據(jù)進行處理分析就必須發(fā)展新的分析理論、方法、技術(shù)和工具，所以必須依賴計算機的信息處理第3頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月生物信息學(xué)就是在上述背景下發(fā)展起來的綜合應(yīng)用生物學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、信息學(xué)、計算機科學(xué)等諸多學(xué)科的理論方法的嶄新交叉學(xué)科，它研究的材料是生物學(xué)數(shù)據(jù)庫，而采用的方法則是從計算機技術(shù)衍生而來的

基因組學(xué)和生物信息學(xué)的研究也改變了新藥開發(fā)的思路和模式第4頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

對基因組計劃產(chǎn)生的核酸序列分析一方面可以從本質(zhì)上認識疾病尤其是遺傳疾病的發(fā)生原因，為這些疾病的診斷、預(yù)防和治療奠定基礎(chǔ)這些核酸序列本身就是豐富的藥物資源，其中蘊藏著大量目前尚不明了的基因，這些基因及其產(chǎn)物可以作為潛在的藥物或者藥物靶點而開發(fā)藥物生物信息學(xué)正是在在這種背景和思路下應(yīng)運而生的

第5頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月藥物生物信息學(xué)就是綜合應(yīng)用藥學(xué)、生命科學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機等等學(xué)科的理論和方法，對伴隨基因組計劃產(chǎn)生的生物信息進行整理和分析，并應(yīng)用于藥物的設(shè)計和開發(fā)，以達到合理藥物設(shè)計目的的一門交叉學(xué)科

第6頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、藥物生物信息學(xué)研究和應(yīng)用的范圍

第7頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月1.核酸序列分析

1）基因結(jié)構(gòu)分析對原核生物的操縱子，包括啟動子和及其上游序列，終止字和衰減子等；對真核生物的分析，有內(nèi)含子、重復(fù)序列、啟動子和增強子等分析等2）核酸序列組裝用鳥槍法測序cDNA獲得了大量的短的片段，一般不超過400bp，稱為序列表達標(biāo)簽（EST），它們都是mRNA的一部分，所以可以通過數(shù)據(jù)庫中的EST的分類和整合，獲得潛在的全長的cDNA第8頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月3）基因定位分析已知序列和基因組的數(shù)據(jù)比對，可以將基因定位

4）新基因的發(fā)現(xiàn)和功能預(yù)測用已知基因的編碼區(qū)與EST數(shù)據(jù)庫比較，找到感興趣的EST，再與其它數(shù)據(jù)庫比對，如果是沒有克隆的EST，通過引物設(shè)計釣出基因，再定位到染色體上。也可以將新基因共過基因序列比較，找到在進化上是同源的基因，從而預(yù)測新基因的功能第9頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2.蛋白質(zhì)序列分析蛋白質(zhì)序列分析包括蛋白質(zhì)的組成和性質(zhì)分析如分子量、等電點、親水性和疏水性分析）蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)的預(yù)測

第10頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月3.生物信息學(xué)軟件

現(xiàn)代藥物開發(fā)特別是生物技術(shù)藥物的開發(fā)，少不了用分子生物學(xué)的手段研究問題、解決問題涉及到分子生物學(xué)實驗，常常需要生物信息軟件的幫助對核酸和蛋白質(zhì)序列分析、蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)分析、蛋白質(zhì)組研究圖譜的處理、蛋白質(zhì)、核酸三維結(jié)構(gòu)的顯示、文件格式轉(zhuǎn)換（Seqverter）等

第11頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月4.計算機輔助藥物設(shè)計

以前藥物的發(fā)現(xiàn)是通過偶然的途徑或定向篩選，但這不可避免地帶有盲目性或工作量巨大，據(jù)統(tǒng)計，平均篩選1.5～2萬個化合物才能發(fā)現(xiàn)一個新藥，歷時10～12年現(xiàn)在藥物研究的主要方向是合理藥物設(shè)計，它是根據(jù)生命科學(xué)研究中所揭示的藥物作用靶點，在參考天然化合物結(jié)構(gòu)和其配基的基礎(chǔ)上，設(shè)計合理的藥物分子，由于設(shè)計目的明確，可以大大減少所篩選的化合物的數(shù)目

第12頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月SARS冠狀病毒的基因組序列和其他冠狀病毒的基因組序列進行多序列比對，發(fā)現(xiàn)SARS冠狀病毒是一種新的冠狀病毒突變體對11個SARA冠狀病毒基因組進行多序列比對分析，發(fā)現(xiàn)測序結(jié)果幾乎完全相同，說明在測序這段時間內(nèi)，該病毒沒有發(fā)生較大的轉(zhuǎn)型第13頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)SARS病毒的生活史，推斷SARS3CL蛋白酶在SARS病毒結(jié)構(gòu)基因成熟過程中起重要作用抑制該酶可以影響病毒的增殖和擴增在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上預(yù)測了三級結(jié)構(gòu)，而且為半胱氨酸蛋白酶設(shè)計了19種半胱氨酸蛋白酶抑制劑類藥物進行測試，發(fā)現(xiàn)6種可能對SARS有效第14頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月5.計算機輔助疫苗設(shè)計對于一個已知序列的蛋白抗原，單純通過實驗的方法鑒定表位常須合成大量的交疊肽，或裂解成小肽通過多肽結(jié)合試驗篩選測定，但都費時費力如果能先對表位進行預(yù)測，使待選多肽范圍縮小，再通過實驗的方法進行驗證，往往能夠取得事半功倍的效果近些年來，隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，使得越來越多的抗原表位得以鑒定，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，使得抗原表位表位預(yù)測的效果不斷提高

第15頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月6.生物芯片生物芯片的實質(zhì)就是在一個不大的基質(zhì)載體上，有序地排列了固定在某一位置的可尋址的識別分子，與待檢測的物質(zhì)結(jié)合或反應(yīng)是在同一條見下進行的常見的芯片有基因芯片和蛋白質(zhì)芯片基因芯片應(yīng)用在新藥研究中，據(jù)計算，傳統(tǒng)的藥物篩選方法每個樣本需要花4美元，而用芯片技術(shù)只需要花40美分

第16頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月基因芯片測序原理第17頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月Heller用基因芯片來檢測類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎病理組織和正常組織基因表達的差異發(fā)現(xiàn)了已知的100多個與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎致病有關(guān)的基因表達差異發(fā)現(xiàn)編碼IL-6和另外幾個金屬蛋白酶（包括金屬彈性蛋白酶）的基因表達得到增強彈性蛋白酶可以破壞膠原纖維和組織基底膜層，就為治療該病提供了新的藥物靶標(biāo)第18頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)

核酸序列數(shù)據(jù)庫

Genbank、EMBL和DDBJ是國際上三大主要核酸序列數(shù)據(jù)庫目前這三個數(shù)據(jù)中心各自收集世界各國有關(guān)實驗室和測序機構(gòu)發(fā)布的序列數(shù)據(jù)通過計算機網(wǎng)絡(luò)每天都將新發(fā)現(xiàn)的或更新過的數(shù)據(jù)進行交換，以保證這三個數(shù)據(jù)庫序列信息的完整性

第19頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、GenbankGenbank數(shù)據(jù)庫是20世紀80年代初由美國國家健康研究院（NIH）委托洛斯阿拉莫斯（LosAlomos）國家實驗室建立后移交給國家生物技術(shù)信息中心（NCBI），隸屬于NIH下設(shè)的國家醫(yī)學(xué)圖書館（NLM）NCBI的網(wǎng)址為：Genbank的網(wǎng)址為：/Genbank

第20頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月Genban庫里的數(shù)據(jù)來源于約130，000個物種，其中56％是人類的基因組序列每條Genbank數(shù)據(jù)記錄包含了對序列的簡要描述、它的科學(xué)命名、物種分類名稱、參考文獻、序列特征表以及序列本身第21頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、EMBLEMBL是歐洲分子生物學(xué)實驗室在1982年開始創(chuàng)建目前有歐洲生物信息學(xué)研究所管理（EBI）其網(wǎng)址為：www.ebi.ac.uk./embl

第22頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月EMBL和Genbank無論是序列的本身，還是對序列的注釋，兩者的內(nèi)容完全相同，只是格式有所區(qū)別而已，因此進行數(shù)據(jù)庫檢索時，只須檢索一個即可第23頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)

基因組與功能基因組數(shù)據(jù)庫

第24頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著許多生物的基因組被測序，特別是人類基因組計劃的完成后，科學(xué)家們已經(jīng)開始研究功能基因組學(xué)在mRNA水平上觀察基因表達的圖譜（轉(zhuǎn)錄組）和蛋白質(zhì)水平觀察基因表達的圖譜（蛋白質(zhì)組）基因組與功能基因組數(shù)據(jù)庫也就開始建立第25頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、GDB由美國JohnsHopkins大學(xué)于1990建立，是重要的人類基因組數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)在由加拿大兒童醫(yī)院生物信息中心負責(zé)管理，網(wǎng)址為：

GDB數(shù)據(jù)庫用表格的方式給出基因結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，包括基因單位、PCR位點、細胞遺傳標(biāo)記、重復(fù)片段等

第26頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、Unigene人類基因組中的序列只有3％可以編碼蛋白質(zhì)，因此轉(zhuǎn)錄圖譜可以把基因組中能夠編碼的部分集中起來，因此是一種重要的數(shù)據(jù)資源Unigene是通過計算機程序?qū)enbank中的數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)奶幚恚员阊芯炕虻霓D(zhuǎn)錄圖譜。其網(wǎng)址為：/Unigene

第27頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、SGD酵母基因組數(shù)據(jù)庫，是已完成基因組測序的啤酒酵母基因組數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址：/Saccharomyces

第28頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月四、TDB包括DNA和蛋白質(zhì)序列、基因表達、細胞功能以及蛋白質(zhì)家族信息等。并收錄人、植物、微生物等分類信息網(wǎng)址為：/tdb/tdb.html

第29頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月五、AceDB線蟲基因組數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址為：www.sanger.ac.uk/Software/Acedb

第30頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月六、dbEST是EST數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址是：/dbEST

第31頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月七、TRANSFAC關(guān)于轉(zhuǎn)錄因子及其結(jié)合位點的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址為：http://transfac.gdf.de/Transfac

第32頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月八、TRRD真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址：www.bionet.nsc.ru/trrd

第33頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月九、

COMPEL此數(shù)據(jù)庫收集了脊椎動物在轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)區(qū)的調(diào)節(jié)元件信息網(wǎng)址：www.gene-regulation.第34頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月十、

CUTG密碼子使用頻度表（CUTG），是通過Genbank中DNA序列統(tǒng)計出來的網(wǎng)址：www.kazusa.or.jp/codon

第35頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫第36頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、SWISS-PROT數(shù)據(jù)庫

該數(shù)據(jù)庫力圖提供高水平的數(shù)據(jù)注釋信息，包括對蛋白質(zhì)功能、結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)翻譯后的修飾、突變體的描述。其目標(biāo)是提供禁墾恩更詳盡的、很少冗余的數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)庫中的連接可以直結(jié)鏈接到其它資源上數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)址為：www.ebi.ac.uk/swissprot。第37頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PIR數(shù)據(jù)庫

PIR是國際上最大的公共蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫，是一個全面的、經(jīng)過注釋的、非冗余的蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫。所有的序列都經(jīng)過整理，超過99％的序列已經(jīng)按蛋白質(zhì)家族分類，一半以上還按蛋白質(zhì)超家族進行了分類數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址為：

第38頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、PROSITE數(shù)據(jù)庫

收集了生物學(xué)有顯著意義的蛋白質(zhì)位點和序列模式，并能根據(jù)這些位點和模式快速可靠地鑒別一個未知功能蛋白的蛋白序列應(yīng)該屬于哪一個蛋白家族網(wǎng)址為：www.expasy.ch/prosite

第39頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月四、PRINTS數(shù)據(jù)庫是建立在蛋白質(zhì)指紋技術(shù)之上的數(shù)據(jù)庫。蛋白質(zhì)序列指紋圖譜是基于多序列的對比結(jié)果，它有比對結(jié)果得到一系列相當(dāng)保守的序列模體構(gòu)建而成，用來表示蛋白質(zhì)家族特征數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址為：www.bioinf.man.ac.uk/dbbrowser/PRINTS

第40頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月五、TrEMBL數(shù)據(jù)庫

翻譯的EMBL，是1996年創(chuàng)建并增補到SWISSPROT數(shù)據(jù)庫中序列是一些免疫球蛋白和T細胞受體、少于8個氨基酸的碎片、合成的序列、具有專利的序列和不能編碼真正蛋白的密碼子網(wǎng)址為：ftp://ftp.ebi.ac.uk/pub/database/trembl

第41頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月六、NRL-3D數(shù)據(jù)庫

包含在PIR數(shù)據(jù)庫中，從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫PDB中提取出來的序列構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫庫網(wǎng)址為：/pir/nrl3d.html

第42頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫第43頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月除了生物序列數(shù)據(jù)庫外，生物大分子的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫是另一類重要的分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫是隨著X射線晶體衍射分子結(jié)構(gòu)測定技術(shù)出現(xiàn)而出現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫PDB是一個重要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，在蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫誕生之前的20世紀70年代就已經(jīng)問世PDB數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址為：/pdb

第44頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫PDB數(shù)據(jù)庫中雖然有幾千套數(shù)據(jù)，但其中許多突變體的結(jié)構(gòu)，以及高度同源結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)折疊模式是有限的，最著名的結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫是英國研究小組建立的，分別是SCOP和CATHSCCP：http://scop.mrclmb.cam.ac.uk/scop.CATH:www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath

第45頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

常用生物軟件

第46頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、PrimerPremier5.0

PrimerPremier5.0是由加拿大的Premier公司開發(fā)的專業(yè)用于PCR或測序引物以及雜交探針的設(shè)計，評估的軟件可以進行引物設(shè)計窗口、酶切分析、基元分析（Motif）

第47頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、DNAStar可以進行ORF的尋找、酶切位點分析、同源序列比對等分析

第48頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、Bandscan是一款對蛋白質(zhì)電泳條帶進行定量分析的軟件

第49頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月四、Winplas一款質(zhì)粒作圖軟件

第50頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月五、Oligo6.0引物和探針的設(shè)計，質(zhì)粒作圖第51頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月六、VectorNTI序列組裝和質(zhì)粒作圖第52頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月七、DNAMAN質(zhì)粒作圖軟件第53頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月八、Readseq

序列格式轉(zhuǎn)換軟件第54頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)

藥物基因組學(xué)

第55頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概述

不同病人對同一藥物表現(xiàn)出不同的藥物治療效果和毒副作用，一直困擾著臨床醫(yī)療和制藥業(yè)

住院病人因為用藥不當(dāng)引起的不良反應(yīng)發(fā)生率在10～20％，其中5％死亡，僅美國每年就有200萬以上的病人因為用藥不當(dāng)導(dǎo)致病情加重，其中近10萬人因副反應(yīng)死亡同一種藥物有不同的治療效果

???????第56頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月個體之間差異性造成的

不同個體對同一藥物的不同反應(yīng)大多數(shù)源于個體基因的差異

藥物代謝酶、藥物轉(zhuǎn)運蛋白、藥物作用靶點等藥物相關(guān)基因的多態(tài)性和表達水平不同造成的

最常見的是SNP（單核苷酸多態(tài)性）第57頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月闡明SNP（單核苷酸多態(tài)性）和藥物反應(yīng)之間的關(guān)系成為基因組計劃后的一個重要方向第一次從基因水平上深入認識疾病和藥物作用的個體差異機制，并導(dǎo)致了一門新的學(xué)科——藥物基因組學(xué)的產(chǎn)生第58頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月藥物基因組學(xué)：是研究不同個體的藥物反應(yīng)差異和DNA多態(tài)性的關(guān)系，即通過DNA序列差異分析，從基因組水平上深入認識疾病和藥物作用的個體差異機制，指導(dǎo)和優(yōu)化藥物設(shè)計和臨床用藥

第59頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月藥物基因組學(xué)和一般意義上基因?qū)W區(qū)別藥物基因組學(xué)不是以發(fā)現(xiàn)人體基因組基因為主要目的相對簡單地運用已知的基因理論改善病人的治療藥物基因組學(xué)是以藥物效應(yīng)及安全性為目標(biāo)，研究各種基因變異與藥效及安全性的關(guān)系第60頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、藥物基因組學(xué)研究的內(nèi)容第61頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月1.基因多態(tài)性與藥物毒性主要的藥物代謝酶是細胞色素P450，它的多態(tài)性和藥物的毒性與療效有很大的關(guān)系突變型CYPAC9的144位Arg變?yōu)镃ys，藥物與氧化還原酶的親合力降低5－FU是使許多腫瘤化療的首選藥物，但是其分解代謝的限速酶二氫嘧啶脫氫酶基因能產(chǎn)生突變第62頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2.基因多態(tài)性及表達水平多態(tài)性與藥效

大多數(shù)要通過蛋白質(zhì)入受體、細胞信號、酶等其作用，編碼這些蛋白基因的多態(tài)性，影響個體對藥物的敏感性5－LO是抗哮喘藥物的作用靶點，具有基因上的多態(tài)性，有的表現(xiàn)型對抑制劑ABT-761就無效第63頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月3.基因的多態(tài)性與微生物的抗藥性

許多藥物由于長期使用而導(dǎo)致療效下降是臨床上常見的問