藥物設(shè)計(jì)中，有活性的先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)可謂是大海撈針。計(jì)算機(jī)輔助藥物發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)大大提高了藥物發(fā)現(xiàn)的效率。分子對(duì)接則是其中一項(xiàng)重要技術(shù)，其思想起源于Fisher E提出的“鎖鑰模型”，即受體與配體的相互識(shí)別首要條件是空間結(jié)構(gòu)的匹配。分子對(duì)接通過幾何互補(bǔ)原則、能量互補(bǔ)原則和化學(xué)環(huán)境互補(bǔ)原則等，預(yù)測(cè)小分子與受體間最佳的結(jié)合模式，從而篩選出可能具有活性的先導(dǎo)化合物。虛擬藥物設(shè)計(jì)+小分子庫篩選+分子動(dòng)力學(xué)模擬，純計(jì)算文章，周期短，見效快！2、分子藥理研究——作用機(jī)制預(yù)測(cè)有了目標(biāo)化合物，做了常規(guī)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，想從分子層面解釋藥物與靶點(diǎn)作用機(jī)制？分子對(duì)接+分子動(dòng)力學(xué)模擬，助你從分子水平解釋現(xiàn)象的本質(zhì)，文章豐富度根本不在話下！3、腫瘤、疾病研究——靶向藥物發(fā)現(xiàn)深入研究目標(biāo)基因的功能，發(fā)現(xiàn)有意義的靶點(diǎn)，發(fā)文章后就扔一邊了？說好的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)呢？虛擬藥物設(shè)計(jì)+小分子庫篩選+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)換的快感難以言喻，唯有親身體味！
廢話不多說，來點(diǎn)案例吧~
基于結(jié)構(gòu)的虛擬篩選和分子動(dòng)力學(xué)模擬從中藥中篩選強(qiáng)效氯離子通道蛋白1抑制劑
研究思路：靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析，中藥（TCM）數(shù)據(jù)庫虛擬篩選，Top30 分子動(dòng)力學(xué)模擬，Top6 hits 結(jié)合模式分析。胞內(nèi)氯離子通道蛋白l (CLICl)在多種惡性腫瘤中如肺癌、宮頸癌、肝癌、乳腺癌、結(jié)腸癌、胃癌和膽囊癌中均有不同程度的高表達(dá)。有研究證實(shí) CLICl 與惡性腫瘤的化學(xué)藥物治療和放射治療的抵抗有明顯的相關(guān)性。CLICl有可能成為癌癥診斷治療和預(yù)后監(jiān)測(cè)的腫瘤標(biāo)記物或藥物治療、基因干預(yù)的靶分子，在臨床實(shí)踐中發(fā)揮作用。利用基于結(jié)構(gòu)的虛擬篩選和分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，TCM數(shù)據(jù)庫中鑒定天然產(chǎn)物，作為有效的CLICl抑制劑。TCM數(shù)據(jù)庫過濾：類藥性五原則、PAINS分析假陽性化合物（Lipinski rules of虛擬篩選：基于docking score 選擇Top 5000的小分子，基于??-Score選擇Top 500的小分子。分子動(dòng)力學(xué)模擬：選擇Top 30的小分子。潛在候選分子的結(jié)合模式分析：Top 6個(gè)小分子Top30的分子的動(dòng)力學(xué)模型的RMSD圖（IAA-94為已知抑制劑）中可以看出，從1 ns開始，整個(gè)體系已經(jīng)基本平衡，RMSD穩(wěn)定在0.5-2.0?附近，說明這些模型都具有很高的穩(wěn)定性和有效性。Top 30 hits與CLIC1在5 ns分子動(dòng)力學(xué)模擬中的RMSD圖
Top 30 hits與CLIC1結(jié)合位點(diǎn)在5 ns分子動(dòng)力學(xué)模擬中的RMSD圖
采用MMPBSA方法計(jì)算Top 30 hits與CLIC1的結(jié)合能，發(fā)現(xiàn)Top 6 hits具有更大的結(jié)合自由能，說明這它們可能是是潛在的CLIC1抑制劑。通過分析圖中的六種配體蛋白結(jié)合模式，我們可以得出結(jié)論：氫鍵和范德華力在蛋白質(zhì)和小分子相互作用中起著關(guān)鍵作用。所有這些結(jié)合模式的分析結(jié)果與結(jié)合能結(jié)果是一致的。因此，我們提出了6個(gè)中藥化合物可作為進(jìn)一步研究藥物開發(fā)過程中的CLIC1蛋白潛在抑制劑。6種化合物與CLIC1結(jié)合模式圖
虛擬篩選+活性驗(yàn)證 IF 2.24
基于結(jié)構(gòu)虛擬篩選+活性驗(yàn)證 IF 3.80
虛擬篩選+動(dòng)力學(xué)模擬 IF 3.0
基于配體虛擬篩選+活性驗(yàn)證 IF5.68
基于靶向PRL磷酸酶三聚體的新型抗癌藥物發(fā)現(xiàn)
研究思路：靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析，數(shù)據(jù)庫虛擬篩選，激酶活性實(shí)驗(yàn)，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化、體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分子水平作用機(jī)制，藥物作用模式分析，作用機(jī)制實(shí)驗(yàn)。再生肝磷酸酶(PRL)癌蛋白是在多種腫瘤組織中過度表達(dá)的磷酸酶。PRL水平升高與腫瘤的轉(zhuǎn)移和不良的臨床結(jié)果有關(guān)。理論上，PRL磷酸酶可以提供有效的治療靶點(diǎn)，但由于缺乏特異性靶向它的化合物，PRL磷酸酶在腫瘤治療上仍然沒有得到足夠的利用。PRL磷酸酶是通過三聚體來發(fā)揮利用，利用這種獨(dú)特的性質(zhì)，借助虛擬篩選和藥物化學(xué)的方法，尋找能夠破壞這種三聚體結(jié)構(gòu)的化合物，從而抑制PRL磷酸酶的活性。通過體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證化合物的抗腫瘤效果。虛擬篩選：從ZINC database中，篩選能與PRL1單體間界面結(jié)合的化合物。分兩步對(duì)接，剛性對(duì)接（DOCK6.2），柔性對(duì)接（圖1A、B）。圖1 PRL1三聚體結(jié)構(gòu)（A）及虛擬篩選流程（B）
激酶活性實(shí)驗(yàn)：體內(nèi)、體外。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)：劃痕實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)。化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化：細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：構(gòu)建表達(dá) PRL磷酸酶的細(xì)胞和表達(dá)三聚體缺陷PRL磷酸酶的細(xì)胞。細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：小鼠實(shí)驗(yàn)，表達(dá)PRL磷酸酶的小鼠和PRL磷酸酶缺失小鼠的胚胎成纖維細(xì)胞。分子水平作用機(jī)制：PRL 1通過激活ERK 1/2和AKT途徑促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移，探究化合物對(duì)ERK 1/2和AKT途徑的影響。藥物作用模式分析：驗(yàn)證化合物作用于PRL的三聚體界面。作用機(jī)制實(shí)驗(yàn)：黑色素瘤TCGA表達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證PRL 1的促癌作用，體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證化合物的抑癌機(jī)制。經(jīng)兩步虛擬篩選后，得到56 hits，體外和體內(nèi)激酶實(shí)驗(yàn)，篩選到3個(gè)化合物（圖2C）能夠顯著降低細(xì)胞內(nèi)PRL1三聚體的形成，其中Cmpd-43最顯著（圖2D）。Cmpd-43對(duì)細(xì)胞的侵襲和遷移也有一定的抑制作用（E、F）圖2 3 hits（C）、體內(nèi)激酶試驗(yàn)（D）細(xì)胞實(shí)驗(yàn)（E、F）對(duì)Cmpd-43結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到7個(gè)類似物（圖3A），細(xì)胞的遷移實(shí)驗(yàn)表明，類似物 -3顯示出與CMPD-43相似的效果，而類似物2和4-7似乎比CMPD-43略小。但是類似物-1對(duì)細(xì)胞增殖或遷移沒有影響，這表明在類似物-1中缺失的亞氨基甲基芳族部分對(duì)PRL1三聚體抑制活性是關(guān)鍵的（圖3B）。圖3 Cmpd-43及其類似物對(duì)細(xì)胞增殖或遷移的影響
表達(dá) PRL磷酸酶的細(xì)胞促進(jìn)了細(xì)胞的增殖和遷移，而表達(dá)三聚體缺陷PRL磷酸酶的細(xì)胞增殖和遷移能力和對(duì)照細(xì)胞相似，說明PRL磷酸酶的三聚體結(jié)構(gòu)在促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移中扮演重要的角色（圖4 A、B）。用Cmpd-43和類似物-1處理表達(dá) PRL磷酸酶的細(xì)胞和表達(dá)三聚體缺陷PRL磷酸酶的細(xì)胞。Cmpd-43能抑制表達(dá) PRL磷酸酶的細(xì)胞，其余的處理組均沒有抑制效果（圖4 C）。小鼠實(shí)驗(yàn)也證明，Cmpd-43能抑制表達(dá) PRL磷酸酶的細(xì)胞，而對(duì)PRL磷酸酶缺失的細(xì)胞無影響（圖4 D）。WB實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，CMP D-43(5 mmol/l)能特異性抑制Prl 1介導(dǎo)的HEK 293細(xì)胞ERK 1/2和AKT通路的活化。圖4 Cmpd-43及類似物-1對(duì)表達(dá)PRL磷酸酶/PRL磷酸酶缺陷細(xì)胞的影響
為了驗(yàn)證Cmpd-43是作用于PCL的三聚體界面，從而發(fā)揮抑制作用，我們將類似物-3和Cmpd-43分別與PRL磷酸酶共結(jié)晶，得到了類似物-3結(jié)合的PRL1的共晶體，通過結(jié)合模式的分析，發(fā)現(xiàn)類似物-3確實(shí)是與PCL的BC界面結(jié)合，并且與周圍的氨基酸殘基作用形成了穩(wěn)定的構(gòu)象（圖5 ABC）。類似物-3與 Tyr14 and Phe132具有較強(qiáng)疏水性接觸，而對(duì)二聚體界面結(jié)合表面的分析表明，這兩種殘基對(duì)三聚體形成的貢獻(xiàn)十分有限，因此推測(cè)，這兩個(gè)殘基突變會(huì)影響類似物-3與PCL的結(jié)合，但是不會(huì)影響PCL的三聚體結(jié)構(gòu)。我們對(duì)Tyr14 and Phe132進(jìn)行了Ala替換。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用Ala取代bar 14和ph 132對(duì)PCL三聚和PCL介導(dǎo)的細(xì)胞遷移沒有影響（圖5 DE），并且突變體對(duì)Cmpd-43呈現(xiàn)出抗性。這些結(jié)果表明類似物-3和Cmpd-43是結(jié)合在PRL三聚體界面并防止PRL三聚反應(yīng)。圖5 類似物-3和Cmpd-43結(jié)合到PRL磷酸酶三聚體界面并阻止PRL三聚結(jié)構(gòu)形成
黑色素瘤TCGA表達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證PRL 1的促癌作用（圖6 ABC）Cmpd-43能抑制人黑色素瘤細(xì)胞的增殖和遷移（圖6DE）。Cmpd-43也能降低HGF誘導(dǎo)的Erk1/2和Akt磷酸化（圖6FG）。除了PRL 1，PRL2和PRL3也能形成三聚體結(jié)構(gòu)，通過敲除起主要作用的PRL1和PRL2，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的ERK1/2 and Akt通路受到抑制（HI），說明Cmpd-43能夠同時(shí)抑制PRL 1，PRL 2和PRL3的活性。圖6 Cmpd-43對(duì)黑色素瘤細(xì)胞系MeWo.具有抑制作用
黑色素瘤小鼠模型實(shí)驗(yàn)，再次驗(yàn)證Cmpd-43通過抑制ERK1/2 and Akt通路，起到抑癌作用（圖7）。
圖7Cmpd-43在體內(nèi)抑制黑色素瘤移植瘤的生長(zhǎng)
HYY精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化研究院擁有天河二號(hào)超算平臺(tái)，可提供虛擬篩選，分子對(duì)接，分子動(dòng)力學(xué)模擬服務(wù)，同時(shí)擁有快捷，高效的多種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化不再遙不可及，文章水平大幅提升絕不是問題！
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