項目名稱：    重要藥理作用的靶標動力學行為與功能關(guān)系研究及其藥物設計

推薦單位：    上海市

項目簡介：    本項目屬分子藥理學研究領域，綜合應用分子動力學模擬、分子生物學和生物物理等方法，開展藥物作用重要靶標的生物大分子（即疾病相關(guān)靶標蛋白質(zhì)）動力學行為與功能關(guān)系研究，并在此基礎上進行藥物設計研究，取得了比較系統(tǒng)和有創(chuàng)新性的成果。

本項目在國產(chǎn)超級計算機上建立和發(fā)展了生物大分子大規(guī)模動力學(MD)模擬并行算法及相應軟件，為分子藥理學研究提供了新的理論方法和手段。發(fā)展了系統(tǒng)化的新一代藥物設計方法，這些方法的計算速度和精度均顯著優(yōu)于現(xiàn)有方法，為藥物研究提供了較好的理論預測工具。

本項目對β-淀粉樣肽、鉀離子通道、SARS病毒蛋白質(zhì)水解酶等10余種具有重要藥理功能的受體蛋白質(zhì)動力學行為與功能關(guān)系進行了分子模擬和分子生物學研究，特別是在模擬跨膜蛋白和蛋白質(zhì)構(gòu)象變化方面，做出了高水平的工作。發(fā)現(xiàn)了Aβ從α螺旋到隨機結(jié)構(gòu)的變化過程及其關(guān)鍵中間態(tài)，發(fā)現(xiàn)了引起Aβ聚集的4個關(guān)鍵氨基酸殘基，Hill等稱該研究為GxxG Motif在Aβ聚集中的作用提供了有力的依據(jù)；獲得了合理的鉀通道/蝎毒復合物的三維結(jié)構(gòu)模型，被Possani等稱為是三個較好的模型之一，并根據(jù)鉀離子通道結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)活性比工具藥四乙基銨高1000倍的鉀離子通道天然產(chǎn)物抑制劑；在國際上率先表達了3種SARS病毒蛋白質(zhì)，用分子動力學結(jié)合分子生物學方法研究了這些蛋白質(zhì)的動力學行為，在國際上首次發(fā)現(xiàn)N-端缺失的蛋白質(zhì)水解酶依然能形成二聚體，在此基礎上發(fā)現(xiàn)肉桂硫胺（抗精神分裂癥藥物）等化合物具有較強的抗SARS作用，為“老藥新用”研究提供了新的思路和研究方法。針對30余個重要靶標進行了藥物設計研究，發(fā)現(xiàn)活性化合物1000余個。用藥物設計方法獲得活性強于微摩爾級化合物的陽性率最高達31.25%（文獻報道的最好水平為5.6%）。

本項目研究結(jié)果在PNAS、JACS、JBC、JMB等雜志上發(fā)表SCI論文104篇，多篇文章被選為封面文章、亮點文章，總影響因子超過288，被他人引用844次，單篇引用最高44次。獲得專利授權(quán)5項，實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化1項。

主要發(fā)現(xiàn)點：  1.對與老年性癡呆形成密切相關(guān)的β淀粉多肽(Aβ)在水溶液和磷脂雙層中的構(gòu)象變化，進行了長達850納秒的分子動力學模擬，捕獲到了Aβ從α螺旋到隨機結(jié)構(gòu)的變化過程及其關(guān)鍵中間態(tài)，發(fā)現(xiàn)了引起Aβ聚集的4個關(guān)鍵氨基酸殘基，為研究Aβ聚集機制和發(fā)現(xiàn)抗老年性癡呆新藥提供了理論依據(jù)(代表性論文1，分子藥理學)。

2. 獲得了合理的鉀通道/蝎毒復合物的三維結(jié)構(gòu)模型，是目前國際上較好的三種模型之一，發(fā)現(xiàn)了鉀通道和蝎毒相互作用的位點(代表論文2－4，分子藥理學)；根據(jù)分子模擬結(jié)果，運用藥物設計方法獲得活性比工具藥四乙基銨高1000倍的鉀離子通道天然產(chǎn)物抑制劑(代表性論文5，分子藥理學)。

3.在國際上率先表達了3種SARS病毒蛋白質(zhì)，用分子動力學結(jié)合分子生物學方法研究了這些蛋白質(zhì)的動力學行為，在國際上首次發(fā)現(xiàn)N-端缺失的蛋白質(zhì)水解酶依然能形成二聚體(代表性論文6，分子藥理學)；在此基礎上發(fā)現(xiàn)肉桂硫胺（抗精神分裂癥藥物）等化合物具有較強的抗SARS作用，為“老藥新用”研究提供了新的思路和研究方法 (代表性論文7和8，分子藥理學)。

4.針對30余個重要靶標進行了先導化合物設計研究，發(fā)現(xiàn)活性化合物1000余個，有些化合物已進入臨床研究，并實現(xiàn)了技術(shù)轉(zhuǎn)化。用藥物設計方法獲得活性強于微摩爾(μM)級化合物的陽性率最高達31.25%（文獻報道的最好水平為5.6%），發(fā)現(xiàn)活性化合物的效率處于國際領先水平(代表性論文5和8，分子藥理學)。

5.在國際上首次將信息熵和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方法用于分子對接，使得虛擬篩選的速度和精度均優(yōu)于現(xiàn)有方法(代表論文9，計算生物學)；發(fā)展了新的化合物“類藥性”評價方法，判斷化合物類藥性的精度顯著高于其他方法 (代表論文10，計算化學)。

主要完成人：  1.   蔣華良

項目總負責，對項目的各項工作進行具體指導，是主要發(fā)現(xiàn)點1-5的主要貢獻者，投入該項工作量占本人工作量的80%。參與基于國產(chǎn)超級計算機生物大分子模擬和大規(guī)模虛擬篩選系統(tǒng)的平臺建設；參與指導各項分子動力學模擬和藥物設計和虛擬篩選工作。

2.   沈建華

主要發(fā)明點1-3的主要貢獻者，投入該項工作量占本人工作量的70%，是基于國產(chǎn)超級計算機大規(guī)模分子模擬和高通量虛擬篩選并行算法發(fā)展和平臺建設主要骨干；PPAR激動劑設計、SARS病毒3CL蛋白抑制劑設計研究主要負責人；參與指導本項目重要生物大分子大規(guī)模分子動力學模擬研究。

3.   沈旭

是主要發(fā)現(xiàn)點3和4的主要貢獻者，投入該項工作量占本人工作量的60%，負責本項目的生物學研究。根據(jù)分子動力學模擬結(jié)果進行生物學功能研究；克隆、表達了本項目所涉及靶標的所有蛋白質(zhì)，建立了相應分子和細胞水平篩選模型，并對藥物設計產(chǎn)生的化合物進行實驗篩選；表達了SARS病毒3個重要蛋白，并建立了相應分子水平篩選模型，獲得抗SARS活性化合物。

4.   羅小民

是主要發(fā)現(xiàn)點4和5的主要貢獻者，參與發(fā)現(xiàn)點1和2的工作，投入該項工作量占本人工作量的50%，參與基于國產(chǎn)超級計算機的大規(guī)模分子動力學模擬和高通量虛擬篩選平臺的建立；參與的中國天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫和化學信息學系統(tǒng)的建立；發(fā)展ADME/T預測方法；根據(jù)酪氨酸激酶的晶體結(jié)構(gòu)，用分子對接數(shù)據(jù)庫搜尋方法，設計了新的活性化合物，發(fā)現(xiàn)多個有抗癌活性的新結(jié)構(gòu)，其中的部分化合物有較高的活性。

5.   柳紅

是主要發(fā)現(xiàn)點2和4的主要貢獻者，投入該項工作量占本人工作量的50%。負責本項目的化合物合成工作；對甲磺酰胺苯乙胺類化合物進行了3D-QSAR研究，根據(jù)3D-QSAR模型設計了一系列新的化合物，其中6個化合物的抗心律失�；钚院瓦x擇性明顯高于Pfizer上市的新藥Dofetilide；根據(jù)COX-2的晶體結(jié)構(gòu)，用分子對接數(shù)據(jù)庫搜尋方法，設計了新的抑制劑，發(fā)現(xiàn)40余個有抗炎活性的新結(jié)構(gòu)，其中1個化合物的活性在nM級；參與發(fā)現(xiàn)多個鉀離子通道抑制劑。

10篇代表性論文：  1.   Conformational transition of amyloid beta-peptide.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

2.   Brownian dynamics simulations of the recognition of the scorpion toxin P05 with the small-conductance calcium-activated potassium channels.Journal of Molecular Biology

3.   Brownian dynamics simulations of the recognition of the scorpion toxin maurotoxin with the voltage-gated potassium ion channels.Biophysical Journal

4.   Computational simulations of interactions of scorpion toxins with the voltage-gated potassium ion channel.Biophysical Journal

5.   Structure-based discovery of potassium channel blockers from natural products: Virtual screening and electrophysiological assay testing.Chemistry & Biology

6.   Severe acute respiratory syndrome coronavirus 3C-like proteinase n terminus is indispensable for proteolytic activity but not for enzyme dimerization - Biochemical and thermodynamic investigation in c

7.   Cinanserin is an inhibitor of the 3C-like proteinase of severe acute respiratory syndrome coronavirus and strongly reduces virus replication in vitro.Journal of Virology

8.   A 3D model of SARS_CoV 3CL proteinase and its inhibitors design by virtual screening.Acta Pharmacologica Sinica

9.   GAsDock: a new approach for rapid flexible docking based on an improved multi-population genetic algorithm.Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters

10.  A new rapid and effective chemistry space filter in recognizing a druglike database.Journal of Chemical Information and Modeling