药物靶标发现课件.ppt

1、第9 9章 基于生物信息学的药物靶标发现综合应用举例 疾病对人类健康构成重大威胁疾病对人类健康构成重大威胁n 疾病对人类的健康和生存构成重大威胁，疾病对人类的健康和生存构成重大威胁，是各国面临的最重要的社会问题之一。是各国面临的最重要的社会问题之一。n全球仅癌症患者就超过全球仅癌症患者就超过4000万人。我国目万人。我国目前每年新增癌症患者已超过前每年新增癌症患者已超过160万人，现万人，现有肿瘤患者至少有肿瘤患者至少300400万人，年死亡万人，年死亡人数超过人数超过130万。万。中国十大常见疾病死亡率排行榜中国十大常见疾病死亡率排行榜 排位排位疾病死亡原因疾病死亡原因占死亡总数占死亡总数(

2、%)1恶性肿瘤恶性肿瘤22.17%2脑血管病脑血管病22.63%3心脏病心脏病16.77%4呼吸系统疾病呼吸系统疾病14.09%5损伤、中毒损伤、中毒6.18%6消化系统疾病消化系统疾病3.10%7内分泌内分泌,营养代谢系统营养代谢系统2.66%8泌尿、生殖系病泌尿、生殖系病1.49%9精神病精神病1.16%10神经病神经病0.97%疾病的威胁亟待新的有效药物疾病的威胁亟待新的有效药物n当前，药物治疗依然是疾病控制的最常用当前，药物治疗依然是疾病控制的最常用的手段，因此也是最有市场前景的产业。的手段，因此也是最有市场前景的产业。n目前全球医药市场总额已达目前全球医药市场总额已达6000亿美元。

3、亿美元。药物的发展史药物的发展史 n药物学（哲学）药物学（哲学）n神农本草经神农本草经至至本草纲目本草纲目，通过口尝身受的方，通过口尝身受的方法，用朴素的唯物论解释药物的作用，并对药物进行法，用朴素的唯物论解释药物的作用，并对药物进行筛选和评定，对药物的生态、形态、性味、功能和应筛选和评定，对药物的生态、形态、性味、功能和应用进行记载。用进行记载。n药理学（科学）药理学（科学）n通过现代科学技术来解释药物的作用，观察药物对生通过现代科学技术来解释药物的作用，观察药物对生理功能的影响，从植物药中提取有效成分和合成新药。理功能的影响，从植物药中提取有效成分和合成新药。随着生物化学和分子生物学的发展

4、，使药理学从整体、随着生物化学和分子生物学的发展，使药理学从整体、器官、细胞和亚细胞水平进入到分子水平。器官、细胞和亚细胞水平进入到分子水平。中医学说中医学说 四气：寒、热、温、凉四气：寒、热、温、凉 五味：辛、甘、酸、苦、咸五味：辛、甘、酸、苦、咸 归经学说：把药物作用与脏归经学说：把药物作用与脏腑经络的病变部位联系起来腑经络的病变部位联系起来新药开发的流程新药开发的流程 药物作用靶标确定药物作用靶标确定 -药物作用模型确立药物作用模型确立 -小分子化合物设计小分子化合物设计 -内外药效分析内外药效分析 -临床前及临床研究临床前及临床研究 -新药证书新药证书从药物靶标到新药证书从药物靶标到新

5、药证书新药开发过程费时费力新药开发过程费时费力n完成整个新药上市流程的成功率仅约完成整个新药上市流程的成功率仅约0.01%0.02%，整个开发的时间可长达十，整个开发的时间可长达十年以上，开发费用通常在三亿美元以上。年以上，开发费用通常在三亿美元以上。n有待发展新的方法缩短药物开发进程，增加药有待发展新的方法缩短药物开发进程，增加药物有效性，并降低副作用。物有效性，并降低副作用。事先确定靶向特定疾病有关的靶标分子事先确定靶向特定疾病有关的靶标分子是现代新药开发的基础是现代新药开发的基础基于靶标的药物开发基于靶标的药物开发n传统方法传统方法发现有效的药物是瓶颈发现有效的药物是瓶颈n通过有显著药理

6、作用的药物，经过分子药理学通过有显著药理作用的药物，经过分子药理学研究，最终认识药靶。由于规模、速度和耗费研究，最终认识药靶。由于规模、速度和耗费等因素的限制，很难实现大规模和高效率。等因素的限制，很难实现大规模和高效率。n新药开发新药开发新的药靶发现成为瓶颈新的药靶发现成为瓶颈n随着人们对疾病认识达到分子水平，以靶标为随着人们对疾病认识达到分子水平，以靶标为基础的药物筛选包括模型的建立及化合物的合基础的药物筛选包括模型的建立及化合物的合成和收集，使基于机理的药物发现成为可能。成和收集，使基于机理的药物发现成为可能。实验方法实验方法n常见的用于药靶发现的实验方法包括：微常见的用于药靶发现的实验

7、方法包括：微生物基因组学、差异蛋白质组学、核磁共生物基因组学、差异蛋白质组学、核磁共振技术、细胞芯片技术、振技术、细胞芯片技术、RNAi技术、基因技术、基因转染技术和基因敲除动物等。转染技术和基因敲除动物等。生物信息学方法的重要作用生物信息学方法的重要作用n随着组学数据的积累，仅凭实验方法已经随着组学数据的积累，仅凭实验方法已经不能满足高通量大规模数据分析的需求。不能满足高通量大规模数据分析的需求。在药物研发过程中，生物信息学方法对于在药物研发过程中，生物信息学方法对于相关数据的存储、分析和处理，以及如何相关数据的存储、分析和处理，以及如何有效地发现和验证新的药靶，发挥了重要有效地发现和验证新

8、的药靶，发挥了重要的作用。的作用。内容提要内容提要1.药物靶标的定义和特点药物靶标的定义和特点2.药物靶标的发现药物靶标的发现n基因组方法基因组方法n转录组方法转录组方法n蛋白质组方法蛋白质组方法n代谢组方法代谢组方法n系统生物学方法系统生物学方法3.药物靶标的验证药物靶标的验证4.以靶标为基础的药物设计以靶标为基础的药物设计 药物研发的几个基本概念药物研发的几个基本概念n疾病相关基因疾病相关基因n生物标志物生物标志物n药物作用靶标药物作用靶标n先导化合物先导化合物癌基因定义癌基因定义n癌基因是人类或动物细胞固有的一类基因，癌基因是人类或动物细胞固有的一类基因，又称转化基因，它们一旦活化便能促

9、使人又称转化基因，它们一旦活化便能促使人或动物的正常细胞发生癌变。或动物的正常细胞发生癌变。n发现新的癌症相关基因是癌症研究的主要发现新的癌症相关基因是癌症研究的主要目标之一，也是发现潜在药靶的基础。目标之一，也是发现潜在药靶的基础。常见疾病对应的生物标志物常见疾病对应的生物标志物生物标志物的类型及作用生物标志物的类型及作用1.药物靶标定义药物靶标定义 药物靶标是指体内具有药效功能并能被药物作药物靶标是指体内具有药效功能并能被药物作用的生物大分子，如某些蛋白质和核酸等。用的生物大分子，如某些蛋白质和核酸等。药靶必须具备的最基本的性质：药靶必须具备的最基本的性质：n 特异性特异性n 可药性可药性

10、药物靶点的基本特点药物靶点的基本特点1.1.属于生物学大分子（通常为蛋白质），可以单属于生物学大分子（通常为蛋白质），可以单独存在或形成聚合体存在；独存在或形成聚合体存在；2.2.具有可与其他特定结构的物质（外源性或内源具有可与其他特定结构的物质（外源性或内源性物质，主要为小分子）结合的部位或位点；性物质，主要为小分子）结合的部位或位点；3.3.该物质的结构可以发生变化，而且是在与具有该物质的结构可以发生变化，而且是在与具有特异性结构的物质结合后发生变化，正常情况特异性结构的物质结合后发生变化，正常情况下，这种变化通常是可逆的；下，这种变化通常是可逆的；药物靶点的基本特点药物靶点的基本特点4.

11、4.该大分子可以通过结构的变化，在生理条件下发挥该大分子可以通过结构的变化，在生理条件下发挥生理调节功能，引起机体某些功能或表现的变化；生理调节功能，引起机体某些功能或表现的变化；5.5.该物质结构状态变化产生的生理效应在复杂调节过该物质结构状态变化产生的生理效应在复杂调节过程或作用通路中具有主导作用；程或作用通路中具有主导作用；6.6.病理条件下该物质的表达量、活性、结构或特性可病理条件下该物质的表达量、活性、结构或特性可以发生变化，这种变化可以是原发性的量变，也可以发生变化，这种变化可以是原发性的量变，也可以是继发性的。以是继发性的。7.7.在体内可能存在内源性与之结合的小分子（内源性在体

12、内可能存在内源性与之结合的小分子（内源性配基）或外源性配基，其配基具有药理作用且已经配基）或外源性配基，其配基具有药理作用且已经被认识。被认识。药靶发挥作用的几个要点药靶发挥作用的几个要点n药物分子和致病分子在靶标上存在竞争性药物分子和致病分子在靶标上存在竞争性抑制；抑制；n药物通常由代谢产物起作用，作用部位、药物通常由代谢产物起作用，作用部位、浓度和时间都很重要；浓度和时间都很重要；n将疾病组织和正常组织进行比较，在疾病将疾病组织和正常组织进行比较，在疾病时上调的蛋白质可作为生物标志物，下调时上调的蛋白质可作为生物标志物，下调的蛋白质可能作为药靶。的蛋白质可能作为药靶。预期药物靶标数目预期药

13、物靶标数目n随着超过上百个真核和原核生物的基因组随着超过上百个真核和原核生物的基因组被完整测序，人们有机会对基因进行大规被完整测序，人们有机会对基因进行大规模的分析和筛选，据估计整个人类基因组模的分析和筛选，据估计整个人类基因组中约有中约有10%与疾病相关，从而导致约与疾病相关，从而导致约3000个潜在的药物靶标。同时，还有成千个潜在的药物靶标。同时，还有成千上万个来自于微生物和寄生生物的蛋白质，上万个来自于微生物和寄生生物的蛋白质，可作为传染病治疗的药靶。可作为传染病治疗的药靶。已知药物靶点数目已知药物靶点数目n 对已上市的多种药物进行分析，仅发现对已上市的多种药物进行分析，仅发现500个左

14、右个左右药物靶标药物靶标两种观点并存两种观点并存n正正：在所有的人类基因产物中仅有：在所有的人类基因产物中仅有2%成成功的发展为小分子药物的靶标，存在大量功的发展为小分子药物的靶标，存在大量的潜在靶标有待发现！的潜在靶标有待发现！n反反：随着新的靶标药物研发的失败率不断：随着新的靶标药物研发的失败率不断增加，最初的热情逐渐转变为恐慌情绪，增加，最初的热情逐渐转变为恐慌情绪，“基因组学相关的药物靶标不仅增加了研基因组学相关的药物靶标不仅增加了研发药物的数量，也增加了研发药物的成发药物的数量，也增加了研发药物的成本本”。2.药物靶标发现药物靶标发现2.1 基因组方法基因组方法2.2 转录组方法转录

15、组方法2.3 蛋白质组方法蛋白质组方法2.4 代谢组方法代谢组方法2.5 系统生物学方法系统生物学方法基因组转录组蛋白质组代谢组生物信息学分析功能研究确定候选药物靶标靶标验证疾病/正常组织2.1 基因组方法基因组方法n目前，已分析并公开了目前，已分析并公开了600种生物的全基种生物的全基因组序列，其中因组序列，其中170种为真核生物。更有种为真核生物。更有意义的是人类基因组全序列分析的完成，意义的是人类基因组全序列分析的完成，功能基因组研究的不断深入，在为阐明生功能基因组研究的不断深入，在为阐明生命的本质提供了海量的生物信息资源的同命的本质提供了海量的生物信息资源的同时也为药靶的发现提供了丰富

16、的矿藏。时也为药靶的发现提供了丰富的矿藏。现代科学认为，疾病的发生直接或间接与基现代科学认为，疾病的发生直接或间接与基因有关因有关疾病是基因与环境相互作用的结果疾病是基因与环境相互作用的结果人类疾病都是：人类疾病都是：“基因病基因病”经典单基因病经典单基因病多基因病多基因病获得性基因病获得性基因病经典单基因病经典单基因病：主要病因是某个基因位点上产生：主要病因是某个基因位点上产生了缺陷等位基因，如：地中海贫血、白化病了缺陷等位基因，如：地中海贫血、白化病多基因病多基因病：涉及多个基因及调控这些基因表达的：涉及多个基因及调控这些基因表达的环境因子之间的相互作用，如：高血压、糖尿病环境因子之间的相

17、互作用，如：高血压、糖尿病获得性基因病获得性基因病：主要是由病源微生物感染引起的：主要是由病源微生物感染引起的传染病，如肝炎、艾滋病传染病，如肝炎、艾滋病基于基因组的预测方法基于基因组的预测方法n最常用的方法是同源搜索，采用序列比对最常用的方法是同源搜索，采用序列比对软件寻找候选基因与已知癌症基因之间的软件寻找候选基因与已知癌症基因之间的序列同源性，如序列同源性，如BLAST或或HMMER软件包软件包n分析已知药靶中普遍的结构特征，如信号分析已知药靶中普遍的结构特征，如信号肽、跨膜结构域或蛋白激酶域。肽、跨膜结构域或蛋白激酶域。n使用基因预测程序从人类基因组序列中预使用基因预测程序从人类基因组

18、序列中预测新基因，寻找全新的药物靶标。测新基因，寻找全新的药物靶标。几个基本原则几个基本原则n寻找病原微生物的基因组中病原微生物的生长和寻找病原微生物的基因组中病原微生物的生长和致病所必需但与人体细胞代谢不同的基因产物，致病所必需但与人体细胞代谢不同的基因产物，将其作为候选药物靶点。将其作为候选药物靶点。n尽管是人体和病原微生物共同的代谢途径，但是尽管是人体和病原微生物共同的代谢途径，但是进化中关键酶的序列和结构出现显著差异，也可进化中关键酶的序列和结构出现显著差异，也可用于设计小分子药物。用于设计小分子药物。n对于某些特殊的微生物，其亚型不同则致病能力对于某些特殊的微生物，其亚型不同则致病能

19、力显著不同。分析其表型数据对应的差异基因是发显著不同。分析其表型数据对应的差异基因是发现新的抗感染药物靶点的有效策略。现新的抗感染药物靶点的有效策略。基因敲除实验基因敲除实验非必要基因非必要基因必要基因必要基因敲除基因敲除基因a a敲除基因敲除基因b b以单基因作为靶标大多以单基因作为靶标大多失败失败!n通过单基因敲除实验能够发现生物体中的通过单基因敲除实验能够发现生物体中的必要基因。以必要基因作为癌症治疗的靶必要基因。以必要基因作为癌症治疗的靶标不仅能杀死癌细胞，对于健康细胞也可标不仅能杀死癌细胞，对于健康细胞也可能是致命的。能是致命的。n失败的基因治疗失败的基因治疗-白血病白血病非必要基因

20、非必要基因非必要基因非必要基因敲除基因敲除基因a a敲除基因敲除基因c c合成致死合成致死同时敲除同时敲除基因基因a a和和c c合成致死性合成致死性提供了新的前景提供了新的前景n给定一个癌症相关的基因，如果该基因在给定一个癌症相关的基因，如果该基因在癌细胞中功能缺失或者功能降低，那么以癌细胞中功能缺失或者功能降低，那么以它的合成致死对象作为药靶就能构成肿瘤它的合成致死对象作为药靶就能构成肿瘤细胞的致死条件，同时降低对健康细胞的细胞的致死条件，同时降低对健康细胞的损伤。损伤。基因工程基因工程n克隆动物克隆动物n器官移植器官移植n人工合成胰岛素、干扰素人工合成胰岛素、干扰素2.2 转录组方法转录

21、组方法n由于基因芯片技术的高通量、快速、平行由于基因芯片技术的高通量、快速、平行化等特点，使得疾病相关的基因芯片数据化等特点，使得疾病相关的基因芯片数据资源非常丰富，利用基因芯片数据挖掘潜资源非常丰富，利用基因芯片数据挖掘潜在药物靶标成为一种重要的途径。在药物靶标成为一种重要的途径。(1)基于比较基因芯片数据基于比较基因芯片数据 n基因芯片能够一次性的记录疾病状态下成基因芯片能够一次性的记录疾病状态下成千上万个基因的变化情况。通过比较疾病千上万个基因的变化情况。通过比较疾病组与正常组的基因芯片数据，寻找显著差组与正常组的基因芯片数据，寻找显著差异的基因集合，可用于预测相关的生物标异的基因集合，

22、可用于预测相关的生物标志物或药物靶标。志物或药物靶标。寻找表达差异的基因寻找表达差异的基因n最直接的方法是测量变化倍数，即计算两最直接的方法是测量变化倍数，即计算两个样本之间同一个基因的表达量之比。尽个样本之间同一个基因的表达量之比。尽管变化倍数方法直观有效，但是该方法没管变化倍数方法直观有效，但是该方法没有考虑噪声和生物学可变性，尤其是癌症有考虑噪声和生物学可变性，尤其是癌症这种本质上多相异质的复杂疾病。这种本质上多相异质的复杂疾病。倍数法倍数法统计方法统计方法n更加通用的办法是采用尽可能多的疾病样更加通用的办法是采用尽可能多的疾病样本进行统计学分析，如本进行统计学分析，如ANOVA和和T-

23、like检检验等。验等。n例如：进行两组重复实验，一组实验中基例如：进行两组重复实验，一组实验中基因因a的表达有差异，另一组中没有差异，那的表达有差异，另一组中没有差异，那么经过分析，基因么经过分析，基因a是否为差异表达基因呢？是否为差异表达基因呢？聚类方法聚类方法n进一步，由于单个基因难以检测疾病状态进一步，由于单个基因难以检测疾病状态下翻译模型的变化，生物标志物通常包括下翻译模型的变化，生物标志物通常包括一组基因，需要一定的聚类方法寻找相关一组基因，需要一定的聚类方法寻找相关基因的组合。如基因的组合。如GSEA方法能够评估两种生方法能够评估两种生物学状态下一组基因集合的统计显著性。物学状态

24、下一组基因集合的统计显著性。K均值聚类均值聚类(2)异源基因芯片数据整合异源基因芯片数据整合 n由于单个芯片数据本身存在的噪声及系统由于单个芯片数据本身存在的噪声及系统偏差，预测结果往往存在误差。偏差，预测结果往往存在误差。n最新的研究通过整合不同实验来源的多组最新的研究通过整合不同实验来源的多组基因芯片的数据，减少单个芯片实验中的基因芯片的数据，减少单个芯片实验中的误差影响，寻找更加通用的生物标志物和误差影响，寻找更加通用的生物标志物和药物靶标。药物靶标。第一步：多组基因芯片实验第一步：多组基因芯片实验第二步：差异基因分析第二步：差异基因分析第三步：荟萃分析第三步：荟萃分析2.3 蛋白质组方

25、法蛋白质组方法n通常，功能蛋白的表达异常和调节异常是癌症发通常，功能蛋白的表达异常和调节异常是癌症发生的分子标志，这些决定个体生物性状、代谢特生的分子标志，这些决定个体生物性状、代谢特征和病理状况的特殊功能蛋白可以作为潜在的药征和病理状况的特殊功能蛋白可以作为潜在的药物靶标。物靶标。n尽管尽管90%的已知药靶为蛋白质，但由于数据和的已知药靶为蛋白质，但由于数据和技术上的原因，蛋白水平的药物靶标并不如基因、技术上的原因，蛋白水平的药物靶标并不如基因、转录水平的研究广泛。近年来，随着更多蛋白质转录水平的研究广泛。近年来，随着更多蛋白质详细数据的获得，在蛋白水平上进行药物靶标的详细数据的获得，在蛋白

26、水平上进行药物靶标的开发和验证成为研究的热点。开发和验证成为研究的热点。(1)基于蛋白质的理化特性基于蛋白质的理化特性 在蛋白质的理化属性、序列特征和结构特征上，在蛋白质的理化属性、序列特征和结构特征上，药靶分子和非药靶分子存在着显著的差异。药靶分子和非药靶分子存在着显著的差异。n药物靶标的八个主要属性：药物靶标的八个主要属性：高疏水性、长度较长、高疏水性、长度较长、包含信号肽结构域、不含包含信号肽结构域、不含PEST结构域、具有超结构域、具有超过两个过两个N-糖基化的氨基酸、不超过一个糖基化的氨基酸、不超过一个O-糖基糖基化的丝氨酸、低等电点和定位在膜上。化的丝氨酸、低等电点和定位在膜上。n

27、以这些特征作为支持向量机的输入，可以在药靶以这些特征作为支持向量机的输入，可以在药靶和非药靶类之间达到和非药靶类之间达到96%的分类准确率，并识的分类准确率，并识别出别出668个具有类似靶标属性的蛋白质。个具有类似靶标属性的蛋白质。(2)基于相互作用的网络特征基于相互作用的网络特征 n随着蛋白质相互作用数据的累积，人们构随着蛋白质相互作用数据的累积，人们构建了大规模的生物网络，并提出了一些度建了大规模的生物网络，并提出了一些度量蛋白质网络特征的方法。量蛋白质网络特征的方法。n药靶分子（疾病相关基因）在网络拓扑结药靶分子（疾病相关基因）在网络拓扑结构上与其他分子有何区别呢？构上与其他分子有何区别

28、呢？举例：由人蛋白相互作用网络特举例：由人蛋白相互作用网络特征发现疾病相关基因征发现疾病相关基因n目标目标：发现区分疾病相关基因与其它基因：发现区分疾病相关基因与其它基因的网络特征，预测新的疾病相关基因。的网络特征，预测新的疾病相关基因。n方法方法：构建疾病相关数据集构建疾病相关数据集 提取蛋白质相互网络特征提取蛋白质相互网络特征 比较疾病基因与其他基因的特征差别比较疾病基因与其他基因的特征差别 分类疾病基因与其他基因分类疾病基因与其他基因 挖掘新的疾病相关基因挖掘新的疾病相关基因 数据集数据集n蛋白质相互作用数据库蛋白质相互作用数据库OPID（47665对对相互作用）相互作用）n来自于来自于

29、BIND、HPRD和和MINT数据库数据库n酵母双杂交实验数据酵母双杂交实验数据n同源预测结果同源预测结果n疾病相关基因（疾病相关基因（3667个基因）个基因）nOMIM数据库（在线人类孟德尔遗传数据库）数据库（在线人类孟德尔遗传数据库）构建训练样本构建训练样本n阳性数据集：网络中的疾病相关蛋白阳性数据集：网络中的疾病相关蛋白n根据相互作用数据整理蛋白质列表根据相互作用数据整理蛋白质列表 n疾病相关蛋白与疾病相关蛋白与OPID蛋白列表的交集蛋白列表的交集n阴性数据集：可能与疾病不相关蛋白阴性数据集：可能与疾病不相关蛋白n从从OPID蛋白列表中随机采样得到蛋白列表中随机采样得到n去掉与疾病相关部

30、分去掉与疾病相关部分n与阳性数据集大小一致与阳性数据集大小一致提取网络特征提取网络特征五个网络特征：五个网络特征：n连接度连接度n1N指数指数n2N指数指数n与致病基因的平均距离与致病基因的平均距离n正拓扑相关系数正拓扑相关系数网络特征示意图网络特征示意图网络特征示意图网络特征示意图比较阳性比较阳性/阴性集网络特征阴性集网络特征 阳性集阳性集 阴性集阴性集 显著性显著性结论结论:疾病相关基因具有更高的连接度，更倾向与疾病相关基因具有更高的连接度，更倾向与其他的致病基因发生相互作用，致病基因之间的平其他的致病基因发生相互作用，致病基因之间的平均距离明显低于非致病基因。均距离明显低于非致病基因。分

31、类疾病基因与其他基因分类疾病基因与其他基因分类效果指标：分类效果指标：KNN分类方法分类方法分类结果：分类结果：挖掘新的疾病相关基因挖掘新的疾病相关基因n应用于应用于5262个基因，预测有个基因，预测有970个基因与个基因与疾病相关疾病相关n其中，其中，792个基因已知与疾病相关，个基因已知与疾病相关，178个基因为新预测得到。例如：个基因为新预测得到。例如：TAK1，BMP基因等基因等n有待进一步分析和验证有待进一步分析和验证基于网络特征方法的特点基于网络特征方法的特点n数据丰富，方法简单易行，能得到大量的数据丰富，方法简单易行，能得到大量的预测结果，方便与其他方法联用。结果有预测结果，方便

32、与其他方法联用。结果有待验证。待验证。n蛋白质相互作用网络体现了蛋白质组的系蛋白质相互作用网络体现了蛋白质组的系统水平描述，有利于人们更好的理解信号统水平描述，有利于人们更好的理解信号转导的生理学活动，以及由于通路的交叠转导的生理学活动，以及由于通路的交叠部分异常造成的多种疾病。部分异常造成的多种疾病。(3)比较蛋白质组方法比较蛋白质组方法 n基于蛋白质组学研究药靶通常采用比较蛋基于蛋白质组学研究药靶通常采用比较蛋白质组分析方法。通过比较癌症人群与正白质组分析方法。通过比较癌症人群与正常人群在对应病理组织器官内蛋白质的常人群在对应病理组织器官内蛋白质的差别，挖掘潜在的药物靶标。差别，挖掘潜在的

33、药物靶标。n如果不能直接找到对应的活性小分子，也如果不能直接找到对应的活性小分子，也可通过比较疾病样本和正常样本中蛋白质可通过比较疾病样本和正常样本中蛋白质的表达差异，鉴别发生异常的生物学通路。的表达差异，鉴别发生异常的生物学通路。定位到相应的生物学通路之后，再从中确定位到相应的生物学通路之后，再从中确定药物靶标。定药物靶标。2.4 代谢组方法代谢组方法n代谢组学是生物体内小分子代谢物的总和，代谢组学是生物体内小分子代谢物的总和，所有对生物体的影响均可反映在代谢组水所有对生物体的影响均可反映在代谢组水平。代谢组放大了蛋白质组的变化，更接平。代谢组放大了蛋白质组的变化，更接近于组织的表型。代谢途

34、径的异常变化反近于组织的表型。代谢途径的异常变化反映了生命活动的异常，因此定量描述生物映了生命活动的异常，因此定量描述生物体内代谢物动态的多参数变化可揭示疾病体内代谢物动态的多参数变化可揭示疾病的发病机制。的发病机制。代谢组方法举例代谢组方法举例n代谢组学对于生物标志物发现、药物作用代谢组学对于生物标志物发现、药物作用模式和药物毒性研究具有重要作用。模式和药物毒性研究具有重要作用。n在酶网络的基础上，在酶网络的基础上，Sridhar等发展了一种分等发展了一种分支定界方法，命名为支定界方法，命名为OPMET，寻找优化的酶，寻找优化的酶组合组合(即药物靶标即药物靶标)，用于抑制给定的目标化合，用于

35、抑制给定的目标化合物并减少副作用。物并减少副作用。n通过提取代谢系统的特征，通过提取代谢系统的特征，Li 等采用整数线性等采用整数线性规划模型在整个代谢网络范围内寻找能够阻止规划模型在整个代谢网络范围内寻找能够阻止目标化合物合成的酶集合，并尽可能的消除对目标化合物合成的酶集合，并尽可能的消除对非目标化合物的影响。非目标化合物的影响。2.5 系统生物学方法系统生物学方法n数据数据挖掘挖掘n通路建模与仿真通路建模与仿真n多组学数据的综合应用多组学数据的综合应用n以网络为基础的方法以网络为基础的方法(1)数据数据挖掘挖掘n尽管分子生物学和医学研究中数据库的重要性日尽管分子生物学和医学研究中数据库的重

36、要性日益增长，绝大部分的科研论文并非存在与结构化益增长，绝大部分的科研论文并非存在与结构化数据库的条目中。这些知识必然无法为计算机程数据库的条目中。这些知识必然无法为计算机程序所理解，甚至对于人来说都是难以发现的。序所理解，甚至对于人来说都是难以发现的。n机器学习和自然语言处理方面的计算方法对数据机器学习和自然语言处理方面的计算方法对数据挖掘和知识理解将会非常有效挖掘和知识理解将会非常有效数据挖掘在药靶发现上的应用数据挖掘在药靶发现上的应用n识别疾病相关实体识别疾病相关实体n如基因或蛋白质，理解它们在疾病中的作用如基因或蛋白质，理解它们在疾病中的作用n识别疾病相关网络识别疾病相关网络n检测疾病

37、相关基因之间的相互作用检测疾病相关基因之间的相互作用n识别治疗靶标识别治疗靶标n如基因芯片研究中的下调基因，或蛋白质组研如基因芯片研究中的下调基因，或蛋白质组研究中的差异蛋白质究中的差异蛋白质n识别诊疗标志物识别诊疗标志物DrugDiscoveryToday2009,14:147-154限制和挑战限制和挑战n基因表达水平和蛋白水平通常并不一致，基因表达水平和蛋白水平通常并不一致，需要后续实验的验证需要后续实验的验证n基因芯片数据与特定的技术平台有关，不基因芯片数据与特定的技术平台有关，不同实验室的结果难以比较同实验室的结果难以比较n数据的可用性以及数据整合问题数据的可用性以及数据整合问题发展中

38、的数据挖掘方法发展中的数据挖掘方法n蛋白质组数据挖掘蛋白质组数据挖掘n质谱数据的大量涌现需要新的数据挖掘工具质谱数据的大量涌现需要新的数据挖掘工具n化学基因组数据挖掘化学基因组数据挖掘n可存活性、细胞形态学和行为数据可存活性、细胞形态学和行为数据n整合的数据挖掘整合的数据挖掘n数据挖掘与高通量数据分析相结合数据挖掘与高通量数据分析相结合n数据挖掘与通路数据库相结合数据挖掘与通路数据库相结合(2)通路建模与仿真通路建模与仿真n药物作用是一个复杂的动态过程，如果不能找到药物作用是一个复杂的动态过程，如果不能找到合适的方法就很难确认药物的有效性。合适的方法就很难确认药物的有效性。n在药物开发过程中常

39、用的手段之一是基因敲除实验，在药物开发过程中常用的手段之一是基因敲除实验，其作用方式与在特定酶上的竞争抑制过程完全不同。其作用方式与在特定酶上的竞争抑制过程完全不同。在基因敲除过程中，给定的通路可能被完全关闭，也在基因敲除过程中，给定的通路可能被完全关闭，也可能由于系统的自身补偿作用而只有部分的影响。在可能由于系统的自身补偿作用而只有部分的影响。在此基础上设计的靶向药物可能存在效率较低的问题。此基础上设计的靶向药物可能存在效率较低的问题。n为了使药物开发过程更贴近于真实情况，有必要为了使药物开发过程更贴近于真实情况，有必要将定量的建模方法引入到药物研究领域，精确的将定量的建模方法引入到药物研究

40、领域，精确的模拟药物与靶标相互作用从而发挥药效的过程。模拟药物与靶标相互作用从而发挥药效的过程。建模方法建模方法n最常用的建模方法是最常用的建模方法是确定性确定性生化反应描述，已成生化反应描述，已成功的用于药物代谢动力学和药剂反应建模。确定功的用于药物代谢动力学和药剂反应建模。确定性反应的缺点在于缺乏可伸缩性。通常，基因组性反应的缺点在于缺乏可伸缩性。通常，基因组和蛋白质组方法要处理数十甚至数百个分子之间和蛋白质组方法要处理数十甚至数百个分子之间的信号网络，反应参数的范围可能包含多个跨度，的信号网络，反应参数的范围可能包含多个跨度，超出了确定性方法的处理能力。超出了确定性方法的处理能力。n结合

41、反应和线性规划结合反应和线性规划可以满足这种需求，批量的可以满足这种需求，批量的处理大规模的复杂化学反应网络。处理大规模的复杂化学反应网络。n随机方法随机方法能够从根本上克服确定性方法的限制。能够从根本上克服确定性方法的限制。它们是高度可伸缩性的，同时易于进行模拟。它们是高度可伸缩性的，同时易于进行模拟。基于模型的药物设计基于模型的药物设计n一种系统的药物设计方法是：在网络中模一种系统的药物设计方法是：在网络中模拟单个反应的抑制过程，量化在指定观察拟单个反应的抑制过程，量化在指定观察量上的作用效果。量上的作用效果。n在代谢网络中，观察量一般是稳态值；在在代谢网络中，观察量一般是稳态值；在信号级

42、联模型中，观察量包括浓度、特征信号级联模型中，观察量包括浓度、特征时间、信号持续时间和信号幅值等。时间、信号持续时间和信号幅值等。基于模型的药物设计基于模型的药物设计n例如，例如，Schulz等在系统生物学建模语言的等在系统生物学建模语言的基础上开发了一款名为基础上开发了一款名为TIde的工具，采用的工具，采用普通微分方程对系统进行模拟，研究在网普通微分方程对系统进行模拟，研究在网络中不同位置进行激活和抑制处理时系统络中不同位置进行激活和抑制处理时系统的响应。通过模拟不同的抑制目标、类型的响应。通过模拟不同的抑制目标、类型和抑制剂浓度，确定一个或多个优化的药和抑制剂浓度，确定一个或多个优化的药

43、物靶标。物靶标。多重建模与仿真多重建模与仿真http:/www.wag.caltech.edu/multiscale/(3)多组学数据的综合应用多组学数据的综合应用n系统生物学的优势在于系统生物学的优势在于整合整合，即综合利，即综合利用基因组学、转录组学、蛋白质组学和代用基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学研究药物对系统的影响，提示可能谢组学研究药物对系统的影响，提示可能的作用靶点。的作用靶点。结合多种异质信息发现药物靶标结合多种异质信息发现药物靶标举例：建立癌症扰动的蛋白质相举例：建立癌症扰动的蛋白质相互作用网络以发现凋亡药物靶标互作用网络以发现凋亡药物靶标n目标目标：通过结合癌症基因芯

44、片数据和蛋白：通过结合癌症基因芯片数据和蛋白质相互作用网络，发现潜在的药物靶标。质相互作用网络，发现潜在的药物靶标。n方法方法：构建凋亡通路的蛋白质相互作用网络构建凋亡通路的蛋白质相互作用网络利用基因芯片数据得到癌症利用基因芯片数据得到癌症/正常的蛋白质相正常的蛋白质相互作用网络互作用网络寻找功能获得寻找功能获得/缺失的缺失的Hub蛋白蛋白挖掘新的药物靶标挖掘新的药物靶标 流程图流程图n正常细胞中蛋白质正常细胞中蛋白质 相互作用网络相互作用网络n癌症细胞中蛋白质癌症细胞中蛋白质相互作用网络相互作用网络功能获得与缺失功能获得与缺失n如果一对相互作用在正常细胞中缺失，在如果一对相互作用在正常细胞中

45、缺失，在癌细胞中出现，称为癌细胞中出现，称为“功能获得功能获得”；n如果一对相互作用在正常细胞中出现，在如果一对相互作用在正常细胞中出现，在癌细胞中缺失，称为癌细胞中缺失，称为“功能缺失功能缺失”。n结果：发现结果：发现157对蛋白质对蛋白质“功能获得功能获得”，162对对“功能缺失功能缺失”n功能获得网络功能获得网络n功能缺失网络功能缺失网络确定候选的药物靶标确定候选的药物靶标n挑选功能获得和缺失网络中的挑选功能获得和缺失网络中的Hub蛋白质蛋白质（连接度（连接度8），根据其），根据其GO功能注释，确功能注释，确定候选的药物靶标。定候选的药物靶标。发现的候选药物靶标发现的候选药物靶标整合多组

46、学数据有助于药靶发现整合多组学数据有助于药靶发现n此例是蛋白质相互作用网络与基因芯片数此例是蛋白质相互作用网络与基因芯片数据相结合。据相结合。n基因组与转录组结合，转录组与代谢组结基因组与转录组结合，转录组与代谢组结合，以及更多组学数据的整合研究，对于合，以及更多组学数据的整合研究，对于药物靶标的发现都是有益的。药物靶标的发现都是有益的。(4)网络基础上的药靶发现网络基础上的药靶发现n以信号转导通路为靶标以信号转导通路为靶标n考虑靶标在网络中的位置考虑靶标在网络中的位置n组合药靶组合药靶以信号转导为靶的疾病治疗以信号转导为靶的疾病治疗 n信号转导在生命现象中有非常重要的作用，它的信号转导在生命

47、现象中有非常重要的作用，它的失误会造成疾病，常见的疾病和问题也与信号转失误会造成疾病，常见的疾病和问题也与信号转导有关导有关n酒精中毒酒精中毒。急性酒精刺激时，大鼠小脑中。急性酒精刺激时，大鼠小脑中cAMP含量含量和蛋白激酶和蛋白激酶A的活性比对照增加了的活性比对照增加了80，说明急性酒，说明急性酒精摄入时腺苷环化酶信号转导通路被激活。精摄入时腺苷环化酶信号转导通路被激活。n内源性一氧化氮内源性一氧化氮(NO)在心肌局部缺血和再灌流损伤的在心肌局部缺血和再灌流损伤的病理过程中起作用。这个作用通过局部缺血心肌中的病理过程中起作用。这个作用通过局部缺血心肌中的跨膜信号转导通路实现，具体说由跨膜信号

48、转导通路实现，具体说由cGMP介导。介导。n意识方面意识方面的信号也会产生物质性的结果。人的精神状的信号也会产生物质性的结果。人的精神状态可以影响身体健康，经常处于忧郁与悲伤状态的人态可以影响身体健康，经常处于忧郁与悲伤状态的人容易得癌。容易得癌。信号转导与疾病密切相关信号转导与疾病密切相关n鉴于信号转导通路在鉴于信号转导通路在细胞增殖和分化过程细胞增殖和分化过程中的重中的重要、甚至决定性的作用；基于对肿瘤的细胞生物要、甚至决定性的作用；基于对肿瘤的细胞生物学和分子生物学的研究，尤其是认识到许多癌基学和分子生物学的研究，尤其是认识到许多癌基因的产物就是因的产物就是转录因子转录因子，它们对细胞的

49、增殖、分，它们对细胞的增殖、分化、死亡和转化起到非常重要的调节作用。化、死亡和转化起到非常重要的调节作用。n因此，有可能设计出以信号转导通路中起调节介因此，有可能设计出以信号转导通路中起调节介导作用的信号分子为靶的药物。导作用的信号分子为靶的药物。考虑靶标在网络中的位置考虑靶标在网络中的位置n生物网络具有一定的冗余性和多样性，包生物网络具有一定的冗余性和多样性，包括一定的反馈回路和故障安全括一定的反馈回路和故障安全(Fail-safe)机制。挑选候选药靶时要考虑到其在机制。挑选候选药靶时要考虑到其在网络网络中的位置中的位置，优先挑选那些处于枢纽位置能，优先挑选那些处于枢纽位置能够发挥作用的靶点

50、，并且避免反馈回路对够发挥作用的靶点，并且避免反馈回路对药效进行补偿。药效进行补偿。细胞凋亡通路细胞凋亡通路通路的冗余通路的冗余通路通路一一通路二通路二已知药物靶点数目已知药物靶点数目n 对已上市的多种药物进行分析，仅发现对已上市的多种药物进行分析，仅发现500个左右个左右药物靶标药物靶标现有药靶组成现有药靶组成n 当前的新药主要针对当前的新药主要针对“酶靶酶靶”和细胞膜上和细胞膜上的的“受体靶受体靶”，共约，共约500个，其中个，其中受体占受体占45%，酶占，酶占28%n以信号转导通路中靠后位置的分子（如转以信号转导通路中靠后位置的分子（如转录因子）作为药靶，能否降低药物副作用？录因子）作为