生物分析化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)等交叉領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，離不開多種分析手段和工具的聯(lián)合應(yīng)用。研究生物分子之間的相互作用及藥物的分子作用機理，離不開通路分析與分子模擬。藥物是通過什么信號通路起作用的？激活靶標(biāo)后會產(chǎn)生哪些生物學(xué)效應(yīng)？什么樣的分子結(jié)構(gòu)與靶標(biāo)有更好的親和性？這些研究問題對于篩選和發(fā)現(xiàn)具有臨床應(yīng)用前景的先導(dǎo)化合物以及研究作用機制都是十分關(guān)鍵的。那么我們可以采用哪些工具來回答這樣的問題呢？

IPA（Ingenuity?Pathway?Analysis）擁有專家整理的知識庫，可實現(xiàn)基因表達、miRNA、SNP微陣列及代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等的分析和生物學(xué)解釋，被廣泛用于通路富集分析、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析、診斷標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)和藥物篩選，可為疾病發(fā)生發(fā)展機制和藥物作用機制研究提供方向指導(dǎo)。

DS（Discovery?Studio）是基于Windows/Linux系統(tǒng)，面向生命科學(xué)領(lǐng)域的新一代分子模擬軟件/計算機輔助藥物設(shè)計軟件。服務(wù)于生命科學(xué)領(lǐng)域的實驗生物學(xué)家、藥物化學(xué)家、結(jié)構(gòu)生物學(xué)家、計算生物學(xué)家和計算化學(xué)家，主要應(yīng)用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能研究、藥物發(fā)現(xiàn)、酶工程、食品學(xué)、環(huán)境毒理研究等研究領(lǐng)域。通過高質(zhì)量的圖形界面、經(jīng)多年驗證的科學(xué)算法以及集成的環(huán)境，為科學(xué)家提供易用計算模擬工具，助力生命科學(xué)領(lǐng)域研究，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)效率，解釋實驗現(xiàn)象。

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通過廣泛挖掘公共數(shù)據(jù)和生物信息數(shù)據(jù)庫，研究人員可以找到藥理學(xué)問題的答案，通過通路分析和分子模擬的方法，可以節(jié)省大量的實驗時間和成本。

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案例一：DS發(fā)現(xiàn)靶向IGF-1R天然抑制劑，IPA解析通路變化

酪氨酸激酶抑制劑和抗IGF-1R抗體對尤因肉瘤具有良好的治療潛力。研究人員通過DS篩選出新型且有前景的IGF-1R靶向藥物，用于治療尤因肉瘤。

首先從PDB數(shù)據(jù)庫中下載編號為3O23的IGF-1R晶體結(jié)構(gòu)作為受體蛋白結(jié)構(gòu)，使用ZINC數(shù)據(jù)庫中具有17931個天然產(chǎn)物作為小分子數(shù)據(jù)庫。然后通過DS中Libdock進行基于分子對接的虛擬篩選、ADMET性質(zhì)預(yù)測、CDOCKER分子對接預(yù)測結(jié)合模式、分子動力學(xué)模擬和最終的實驗驗證，得到兩個候選分子，能夠減少尤因肉瘤細(xì)胞的增殖和遷移以及抑制IGF-1R蛋白在尤因肉瘤細(xì)胞內(nèi)的表達。

那么，如何進一步確定藥物是如何作用于生物體呢？在另一項研究中，研究人員通過IPA研究了合并用藥后通路的顯著變化，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合方案（二甲雙胍和伊馬替尼）處理的TC71細(xì)胞中，細(xì)胞周期調(diào)控主導(dǎo)了前十個富集的通路。

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案例二：使用IPA構(gòu)建靶標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，DS進行分子模擬

為了深入了解益心寧神片的活性成分和相關(guān)潛在靶蛋白，研究人員通過數(shù)據(jù)庫查詢、系統(tǒng)生物學(xué)分析等形成了一套生信管線，并探討了益心寧神片治療抑郁癥的作用機制。

具體而言，采用文本挖掘和數(shù)據(jù)庫查詢的方法，從益心寧神片中鑒定出活性化合物62種，及其286種潛在靶蛋白。研究人員將差異基因、差異蛋白和差異代謝物數(shù)據(jù)上傳至IPA軟件，進行核心分析來整合系統(tǒng)生物學(xué)結(jié)果，獲得了差異基因-差異蛋白質(zhì)相互作用和差異蛋白質(zhì)-差異代謝物相互作用，將目標(biāo)蛋白質(zhì)的數(shù)量從286個減少到133個。

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隨后，基于參考文獻進一步縮小目標(biāo)蛋白范圍，通過PDB數(shù)據(jù)庫下載或DS同源模建功能構(gòu)建目標(biāo)蛋白3D結(jié)構(gòu)，使用DS中CDOCKER功能進行活性分子的分子對接研究，最終確認(rèn)出MAPT、CHRM1、DRD1是益心寧神片治療抑郁癥的主要作用靶標(biāo)。

案例三：使用IPA探究PDS治療后蛋白上調(diào)的原因，通過DS開發(fā)PDS類似物，增強治療效果

吡哆醇抑制素（PDS）是一種G-四鏈體（G4）誘導(dǎo)劑和穩(wěn)定劑，為了鑒定其靶基因，研究人員應(yīng)用MS蛋白質(zhì)組學(xué)分析，通過IPA分子活性預(yù)測功能找出導(dǎo)致PDS治療期間細(xì)胞周期相關(guān)蛋白的上調(diào)的原因。這些發(fā)現(xiàn)為合理設(shè)計新型多靶點鉑類抗癌藥物提供了策略，可對抗順鉑耐藥性。

研究人員使用IPA進行了分子活性預(yù)測（MAP）模擬，發(fā)現(xiàn)所有FC<1.0的PDS下調(diào)蛋白都導(dǎo)致三種轉(zhuǎn)錄因子的激活：FOXO1、MITF和TP63，隨后這些轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)下游蛋白，包括ANLA、KIF11、CCNA2和RRM2（如下圖），以及FOXM1和KIAA0101（與四種細(xì)胞周期相關(guān)蛋白共同表達）。

鑒于吡哆醇抑制素（PDS）的抗腫瘤活性，利用DS中基于配體的分子模擬手段可以快速開發(fā)出PDS類似物，進行抗腫瘤活性研究，包括骨架躍遷、片段生長以及側(cè)鏈枚舉等方法。

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IPA擁有專家整理的知識庫，被廣泛用于通路富集分析、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析、診斷標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)和藥物篩選，可為疾病發(fā)生發(fā)展機制和藥物作用機制研究提供方向指導(dǎo)，構(gòu)建出疾病與靶標(biāo)之間的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，利用分子模擬計算軟件DS可以進行基于靶標(biāo)的藥物發(fā)現(xiàn)，包括結(jié)構(gòu)全新的先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化，已知藥物類似物的開發(fā)等等。利用DS開發(fā)的針對某一靶標(biāo)的藥物，也可以通過IPA進行通路分析，確定靶標(biāo)的適應(yīng)癥。

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[參考文獻]

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