人类在1959年解开第一个蛋白质结构时用了整整22年的时间，而到2003年，中国科学院解析出SARS病毒蛋白质的结构只用了不到3个月的时间。随着基因组学、蛋白质组学、分子生物学以及分离提取技术的发展，科学家获得能用于结构解析实验的生物大分子样品速度大大提高。X射线晶体学，核磁共振的技术进步令高通量结构测定逐渐成为可能，预测生物大分子结构的软件方法也蓬勃发展，帮助人们更深入了解生物大分子的结构。对于生物学家和药学家来说，越来越多的生物大分子结构信息将全新的活性先导化合物的发现带入了一个新的天地。
上期着重介绍QUANTA、CNX、 Felix、 DS Modeling、InsightII等软件对X-RAY和NMR等实验的数据进行处理、归属和计算，获得优质的生物大分子结构的功能；还介绍了 Accelrys公司强大的预测蛋白质结构、构建可靠蛋白质模型的产品。对于药学家来说，更重要也更有意义的工作是在已有目标生物大分子的结构基础上，继续深入研究针对生物大分子结构特征的化合物，寻找能够调控生物信号网络的活性分子。药学家希望利用这些生物大分子的结构信息，发现或者设计高质量、多样性的先导化合物，确定能够进行生物活性测试并进入临床试验的对象。Accelrys公司的分子模拟设计软件包InsightII、Cerius2、 Catalyst和DS Modeling等产品能够在生物大分子的结构基础上，帮助用户进行新化合物研发，从提高药效学的角度，发现与生物大分子亲和效应更好的小分子。
目前，基于生物大分子结构进行先导化合物研究的主要的手段有：基于分子对接技术的虚拟筛选（Docking and Virtual Screening ），基于生物大分子结构的药效团模型和数据库搜索（Pharmacophore Modeling and Database Search ），以及从头设计方法（De Novo Design）。

分子对接技术
分子对接技术是指在计算机中将生物大分子模型与有潜在生物学效应的分子模型进行形状和能量的互相匹配，并且使用一定的评价函数对二者之间的形状、能量、化学环境的匹配程度进行评价。通过对二者相互作用的精细研究，药学家能够了解某个化合物与生物大分子相互作用的细节。分子对接技术逐步衍生出虚拟筛选技术，对应着实验室内的实际高通量筛选工作，虚拟筛选技术能够通过快速的分子对接，将整个化合物数据库中的所有分子与目标生物大分子进行亲和能力评价。
Accelrys 的InsightII 软件包内包含了重要的分子对接工具Affinity。Affinity是一个自动、精细的分子对接程序。对于给定的包含有配体分子和靶点分子的复合物模型，Affinity程序通过计算配体－靶点复合物的能量来自动的寻找配体与靶点的最佳结合模式，允许用户自由定义蛋白靶点结合位点的柔韧程度，以及配体构象来研究上述势能的变化。这种基于能量计算的寻找方法适用于在实验无法确定配体－靶点复合物结构时，进行基于结构的药物设计，特别适合精确筛选活性肽或活性有机小分子，了解具体的作用机理。
Accelrys 的Cerius2软件包内包括了更适宜做虚拟筛选的软件工具LigandFit以及强大的评分系统。LigandFit具有良好的拓展应用能力，能够在工作站上运行，也能够在强大的Cluster机群上运行。法国生物制药公司Synt:em的研究人员在IBM和Accelrys工程师的帮助下测试了 LigandFit的并行运行性能，对LigandFit的benchmark非常满意[1]。最终Synt:em采用了有38个节点、76个计算处理器的IBM xSeries 机群运行LigandFit，此机群计算峰值86Gflops，存储空间1TB。在高速机群上的LigandFit使这家以开发全新Central Nervous System（CNS）药物为主的研发型制药公司筛选其虚拟组合化学库的能力提高了15倍。目前Synt:em能够设计，评价和筛选更大规模的虚拟库，确定最终的研究对象，成倍的提高工作效率。

基于生物大分子结构的药效团模建和数据库搜索技术
基于生物大分子结构的药效团模建和数据库搜索技术（Pharmacophore Modeling and database search ）是另外一种能够对大型数据库进行搜索和评判的高通量的筛选工具。所谓的药效团模建，通常是对一系列作用于相同靶点的小分子进行模型建立，将与生物活性相关的抽象的特征提取，这些抽象特征包括亲/疏水性、氢键供/受体、富电基团，等等。根据这些药效团信息，可以构建三维的药效团模型，对化合物数据库进行搜索。2002年，Patel等对多个药效团分析工具进行了分析和比较，最终认定Catalyst的计算结果最为理想[2]。
药效团和数据库搜索通常应用于未知受体的药物研究，但如果受体结构已知，甚至复合物结构已知时，用户能够进一步判定对亲和作用贡献较大的基团并可设置更大的权重。不仅如此， Accelrys的Cerius2软件包中所包含的SBF模块（Structure Based Focusing）能够直接对受体分子的结合腔进行分析，将结构的细节特征转化为能够用于Catalyst进行数据库搜索的信息。SBF还能够考虑受体活性位点氨基酸残基的空间排布，在进行数据库的搜索时，用户不仅能够进行基于化学基团的匹配，还能够进行几何形状的互补评价。
2004年8月，著名制药企业强生公司研发部门在欧洲医药化学联盟第十八届国际药物化学研讨会上发布了一个关于使用Catalyst和Cerius2 SBF模块进行化合物筛选的工作报告。该研究针对一个早老性痴呆症的靶蛋白-b分泌酶BACE蛋白的晶体结构展开研究。强生的研究人员使用Cerius2 SBF产生了一个包括受体活性位点空间位阻和化学结合特征的药效团模型，并用已知的抑制剂对该模型进行了修正，如图1。Catalyst读入了这些信息，将之应用于3D的数据库搜索。最终的检索结果中，活性分子的百分比率比传统的Docking方法提高了25倍，进一步使用FLO进行能量优化和亲合力预测，测试集中活性分子比率能够达到250倍，所使用的时间仅是使用传统的Docking方法的GOLD软件的1/60，如图2。

从头设计方法
从头设计方法（De Novo Design）能够根据生物分子的活性位点特征产生一系列的结构片段，通过连接这些结构片段可以构成一个全新的分子；或者在结合腔内对一个已知的结构骨架进行化合物的衍生化。从头设计方法与上文提到的两种能够对化学结构数据库进行搜索或筛选的方法有明显的不同，上两种方法是对数据库中的每个分子进行匹配和评价，无法改变其化学结构，而从头设计方法的应用则可以生成全新的分子结构。
一般来说，从头设计方法包含以下的几个步骤：
1.活性位点分析：对结合位点的具体的化学信息进行扫描、分析和归类。结合位点的疏水性、亲水性、氢键供体和受体的位置和方向，等等，这些信息的三维空间相互关系都必须被充分考虑。
2.配体分子构建：采用不同的片段选择和分子构建方法，产生相应的分子结构。
3.评价：使用特定的评分系统将新构建的分子与活性位点的匹配性进行排序，可以选择其中优良的结果作为合成实验的对象。也可以将之作为新一轮计算的起点进行进一步的优化。
MCSS 和LUDI方法是Accelrys主要的从头设计方法的解决方案。MCSS是Karplus小组发展的片段定位方法，目前集成于InsightII的环境中。MCSS应用的主要是片段定位方法，这种方法中片段的选择和定位通过相互作用定量来进行。这种方法能够提供和受体分子形成一定结合能力的分子片段，这些分子片段为后续的设计提供了很好的基础。集成于InsightII和Cerius2中的LUDI无疑是应用最为广泛的从头设计方法。在PLA2抑制剂，细胞色素P450cam底物研究以及FKBP-12抑制剂设计等应用中发挥了决定性的指导作用。
以Agouron Pharmaceuticals公司的研究员Robert Babine博士等人对FKBP-12抑制剂设计[3]为例。FKBP-12是人体内的蛋白质，与免疫抑制功能密切相关，天然产物K506能够与FKBP -12发生很强的亲和，因此是一个良好的先导结构，已经有复合物共结晶的报道。设计将结构中的K506删除，使用LUDI对结构进行了分析，并对有机小分子片段库进行了筛选。小分子片段中，金刚烷骨架被确定为最有潜力的研究对象，相继引入酮基和苯环，以及苯环上的羟基等基团，满足了氢键受体，疏水作用等关键的化学相互作用的要求，最终设计出了多个具有很强亲和能力的化合物，过程如图3所示。
基于生物大分子结构的药物设计（SBDD）是目前最主流的药物设计方法。获得创新药物的先导化合物是药物设计的关键环节，从提高药效学的角度出发， Accelrys为科研工作者提供了完整的解决方案。确定了先导化合物后，研究人员还将会遇到先导化合物骨架的进一步优化，定量构效关系模型的建立，以及组合库设计，ADME/T性质预测等等重要的研究难题。Accelrys同样准备了完备的解决方案，将另文刊出。■
参考文献：
[1]Accelrys， http://www.accelrys.com/reference/cases/studies/syntem_ibm.html
[2]Patel Y， Gillet V， Bravi G， Leach A. A comparison of the pharmacophore indentification programs: Catalyst， DISCO and GASP. J. Comput. Aid. Mol. Des. 2002，16:653
[3]Babine R.E.， Bleckman T. M. etc. Design，synthesis，and X-Ray crystallographic studies of novol FKBP12 ligands. Bioorg. Med. Chem. Lett. 1995，5:1719