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項目名稱： 重要藥理作用的靶標動力學行為與功能關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（即疾病相關靶標蛋白質）動力學行為與功能關系研究，并在此基礎上進行藥物設計研究，取得了比較系統和有創新性的成果。
本項目在國產超級計算機上建立和發展了生物大分子大規模動力學(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。發展了系統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于現有方法，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病毒蛋白質水解酶等10余種具有重要藥理功能的受體蛋白質動力學行為與功能關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構象變化方面，做出了高水平的工作。發現了Aβ從α螺旋到隨機結構的變化過程及其關鍵中間態，發現了引起Aβ聚集的4個關鍵氨基酸殘基，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；獲得了合理的鉀通道/蝎毒復合物的三維結構模型，被Possani等稱為是三個較好的模型之一，并根據鉀離子通道結構發現活性比工具藥四乙基銨高1000倍的鉀離子通道天然產物抑制劑；在國際上率先表達了3種SARS病毒蛋白質，用分子動力學結合分子生物學方法研究了這些蛋白質的動力學行為，在國際上首次發現N-端缺失的蛋白質水解酶依然能形成二聚體，在此基礎上發現肉桂硫胺（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，發現活性化合物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%）。
本項目研究結果在PNAS、JACS、JBC、JMB等雜志上發表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5項，實現技術轉化1項。
主要發現點： 1.對與老年性癡呆形成密切相關的β淀粉多肽(Aβ)在水溶液和磷脂雙層中的構象變化，進行了長達850納秒的分子動力學模擬，捕獲到了Aβ從α螺旋到隨機結構的變化過程及其關鍵中間態，發現了引起Aβ聚集的4個關鍵氨基酸殘基，為研究Aβ聚集機制和發現抗老年性癡呆新藥提供了理論依據(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構模型，是目前國際上較好的三種模型之一，發現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)；根據分子模擬結果，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，用分子動力學結合分子生物學方法研究了這些蛋白質的動力學行為，在國際上首次發現N-端缺失的蛋白質水解酶依然能形成二聚體(代表性論文6，分子藥理學)；在此基礎上發現肉桂硫胺（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，發現活性化合物1000余個，有些化合物已進入臨床研究，并實現了技術轉化。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%），發現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合的優化方法用于分子對接，使得虛擬篩選的速度和精度均優于現有方法(代表論文9，計算生物學)；發展了新的化合物“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，是主要發現點1-5的主要貢獻者，投入該項工作量占本人工作量的80%。參與基于國產超級計算機生物大分子模擬和大規模虛擬篩選系統的平臺建設；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%，是基于國產超級計算機大規模分子模擬和高通量虛擬篩選并行算法發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模分子動力學模擬研究。
3. 沈旭
是主要發現點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。根據分子動力學模擬結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，建立了相應分子和細胞水平篩選模型，并對藥物設計產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
是主要發現點4和5的主要貢獻者，參與發現點1和2的工作，投入該項工作量占本人工作量的50%，參與基于國產超級計算機的大規模分子動力學模擬和高通量虛擬篩選平臺的建立；參與的中國天然產物數據庫和化學信息學系統的建立；發展ADME/T預測方法；根據酪氨酸激酶的晶體結構，用分子對接數據庫搜尋方法，設計了新的活性化合物，發現多個有抗癌活性的新結構，其中的部分化合物有較高的活性。
5. 柳紅
是主要發現點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常活性和選擇性明顯高于Pfizer上市的新藥Dofetilide；根據COX-2的晶體結構，用分子對接數據庫搜尋方法，設計了新的抑制劑，發現40余個有抗炎活性的新結構，其中1個化合物的活性在nM級；參與發現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
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