虚拟筛选技术及其应用
内容简介
1.虚拟筛选技术的介绍 2.重点介绍基于靶点结构的虚拟筛选——分子对接 3.虚拟筛选在药物研发中的应用实例 4.虚拟筛选与新型食品保鲜剂的开发
1.1 虚拟筛选技术产生的背景
20世纪80年代中期，随着分子生物学和结构生物学的发展，靶标生物 大分子的功能被阐明、三维结构被测定。以及计算机科学的发展，功能 先进的图形工作站的出现，分子对接(molecular docking)方法和数据库 搜寻方法已经出现，并发展了第一个分子对接程序DOCK。
TACC建立的药物研发网站的基本工作结构流程
Virtual Screening Drug Discovery Web Portal（@ TACC） 该网站具有稳定且直观的界面，连接了“Lonestar”超级计算机，该计算 机上有大型的类药性的的小分子数据库，用于虚拟筛选配体分子。 通过Manage Files界面上传靶标蛋白酶的坐标文档的TACC的磁盘服务 器，并在submit job界面选择计算机中的数据库 TACC代管的超级计算机的处理中心，将对靶标蛋白和小分子配体进行 对接计算，一个对接计算需要1-3分钟的处理时间，大部分的操作能在812小时完成，对接计算的状态可以通过网站查看 对DENV蛋白酶进行虚拟筛选时，将产生一系列通过对接得分排序的匹 配记录，得的负分越小被认为是配体和靶标蛋白反应越积极。选择一组 得分低且易于控制数量的配体的匹配得分分类为“高分匹配”，用于之 后的分析和研究验证实验。 最后，通过网站view job界面可以将TACC处理的完整的工程文件下载 到本地存储
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1.3 虚拟筛选技术的分类
基于受体生物大分 子结构的虚拟筛选 （SBVS） 分子对接（ docking-based） 药效基团搜寻（ pharmacophorebased）
分类
基于配体小分子的 虚拟筛选（LBVS ）
• SBVS是根据受体生物大分子的三维结构，通过分子对接的方法，确定小分子与 受体的结合构象，并评价其与受体的结合活性，从而筛选出有潜力的配体小分 子。 • LBVS是根据现有药物（配体）的结构、理化性质与活性关系(SAR)的分析，建 立定量构效关系(QSAR)或药效基团模型，预测筛选新化合物的活性。
concluding remarks
•This project demonstrated the successful application of a powerful drug discovery portal to identify leads for further development. The portal provides access to the supercomputer resources of the Texas Advanced Computing Center to rapidly screen several integrated libraries containing almost a million druglike ligands. •This project demonstrated the successful application of a powerful drug discovery portal to identify leads for further development. The portal provides access to the supercomputer resources of the Texas Advanced Computing Center to rapidly screen several integrated libraries containing almost a million druglike ligands.
3. 虚拟筛选在药物设计中的应用举例 ——用一个虚拟筛选药物研发门户网获得一种新型的登革
热病毒蛋白酶抑制剂
Received: September 2, 2014 Published: September 29, 2014
content
• We report the discovery of a novel small-molecule inhibitor of the dengue virus (DENV) protease (NS2B-NS3pro) using a newly constructed Web-based portal (DrugDiscovery@TACC) for structure-based virtual screening. • Detailed analysis of virtual screening docking scores and hydrogen-bonding interactions between each docked ligand and the NS2BNS3pro Ser135 side chain were used to select molecules for experimental validation. • However, the inhibition constants were ∼10-fold larger against the WNV protease relative to the DENV protease. This novel validated lead had no chemical features or pharmacophores associated with adverse toxicity, carcinogenicity, or mutagenicity risks and thus is attractive for additional characterization and optimization.
1.2 虚拟筛选技术的定义
虚拟筛选（virtual screening, VS)是计算机辅助药物设计方法的延伸 和推广，针对重要疾病特定靶标生物大分子的三维结构或定量构效关 系(QSAR)模型，从现有小分子数据库中，搜寻与靶标生物大分子结 合或符合QSAR 模型的化合物，进行实验筛选研究。 • 定量构效关系是一种借助分子的理化性质参数或结构参数，以数学和 统计学手段定量研究有机小分子与生物大分子相互作用、有机小分子 在生物体内吸收、分布、代谢、排泄等生理相关性质的方法。 • 虚拟筛选的目的是从几十到上百万个分子中，发现有潜在可能性的化 合物，集中目标，大大降低实验筛选化合物数量。
结构优化 加电荷 类药性分析 多样性分析 第三步:计算机筛选 对接和打分，这一步是虚拟筛选的核心步骤 把每个小分子放到受体蛋白的配体结合位点，优化配体构象和位置，使 之与受体有最佳的结合作用，给最佳结合构象打分，对所有化合物根据 打分排序，然后从化合物库中挑出打分最高的小分子。
能量和空间匹配
第四步:命中化合物的后处理 最后一步是命中化合物的后处理 通过计算分子的类药性质ADME/T (吸 收、器官分布、体内代谢、排泄 和毒性)性质的估算，排除那些不具有类 药性质的分子。可以利用一些经验规则如“五规则” 等，快速排除那些 不适合进一步药物开发的分子。 通过以上四步处理，大部分分子从化合物库中剔除，形成一个合理 大小的化合物库，仅对这些适合成药的化合物或购买、或合成、或分离 得到，然后再进行实际的生物测试。
Thank you!
(2) 分子对接：受体和配基之间通过能量匹配和空间 匹配而相互识别形成分子复合物，并预测复合物结 构的操作过程
(3) 分子对接的具体流程：
包括4个步骤：
第一步：受体模型的建立 1）大分子结构获取 蛋白质结构的准备是虚拟筛选的重要一步。虚拟筛选的蛋白靶标的结构 可以从PDB库(/pdb/index.html)中直接下载使用 2）靶点处理：加氢原子、加电荷、带电残基的质子化 第二步:小分子库的产生 建立小分子数据库（最为常用的小分子数据库Zinc数据库）
该药物研发门户网是IMB公司用互联网进行虚拟筛选研究的拓展，由 德克萨斯高级计算机中心（TACC）提供巨型计算机资源，用于筛选 登革热病毒蛋白酶抑制剂的小分子数据库可以商业购买。 对配体小分子和DENV的NS2B-NS3pro Ser135的侧链之间的氢化作 用以及虚拟筛选分子得分进行详细分析，来选择合适的配体小分子。 筛选出来的小分子化合物从已有的化学制品公司购得，通过NS2BNS3蛋白酶的稳态动力学分析来验证小分子对DENV蛋白酶的抑制活 性。 这种新型的被验证了的先导物不含有毒性、致癌性、突变风险等化学 特性以及药效基团，因此非常具有潜力的。
20世纪90年代中期， 基于小分子的药物设计(LBDD)方法和基于受体 生物大分子结构的药物设计(SBDD)方法，已成为创新药物研究的核心技 术之一。同时由于超级计算机技术的发展，产生了虚拟筛选并行算法， 实现了虚拟筛选的高通量化。
近年来，PC集群式计算机(cluster)的普及，进一步促了进虚拟筛选技 术的发展。
4. 虚拟筛选可以应用于食品保鲜剂的开发
食品常见保鲜剂中，除了乳链球菌素（Nisin）和溶菌酶的作用机理比 较明确外，其它保鲜剂的作用机理不明确，易造成应用上的混乱。它 们可能是作用于同一靶点，重复添加可能会在分子或者细胞水平多细 胞造成损伤。另外，大多数保鲜剂不是针对微生物的特有结构来发挥 活性，很多是通过破坏细胞膜而发挥作用，而人的细胞膜具有相似的 结构，同样会被破坏。 针对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌依次进行大规模虚拟筛选，得到多靶 点的抑制剂。 得到既可以抑制革兰氏阳性菌，又可以抑制革兰氏阴性菌的保鲜剂。 用于生产中，可以取代其它功能单一的添加剂，从而减少食品中添加 剂的种类和用量。
•libraries are available for immediate purchase from established chemical companies, which facilitates rapid validation of highscoring hits from virtual screening experiments.