DiscoveryStudio在生物領域的應用解決方案

Discovery Studio 在生物藥物領域的應用解決方案核酸、抗體、多肽等這些生物藥物，因其有著藥效高、副作用小、作用目標明確等等特點，一直受到國內外研究者的關注。基因工程、蛋白質工程的發展，極大地促進了生物藥物的研究與開發，使之成為醫藥研究領域的一個重要方面，并代表著醫藥產品發展的方向。

而倚賴計算機技術和生物信息學技術的飛速發展，分子模擬已經被越來越多地應用于藥物設計研究當中，這一技術在化學藥物研究中的應用相對已非常成熟，那么在生物藥物研究過程中，我們又該如何應用分子模擬技術來輔助實現一定的研究目的呢？

圖 1 生物藥物的分類

Discovery Studio?（簡稱 DS），基于 Windows/Linux 系統，面向生命科學領域的新一代分子建模和模擬環境。通過高質量的圖形界面、經多年驗證的科學算法以及集成的環境，為科學家提供易用的蛋白質模擬和藥物設計工具。

DS 服務于生命科學領域的實驗生物學家、藥物化學家、結構生物學家、計算生物學家和計算化學家等，應用于蛋白質結構功能研究，以及藥物發現。在生物制藥領域，DS 能夠針對核酸、抗體、多肽這三種生物藥物研究體系為國內廣大致力于生物藥物研發的科研工作者提供一系列合理高效的解決方案。

Discovery Studio 在抗體藥物領域的應用

抗體分子是生物學和醫學領域用途最為廣泛的蛋白分子，廣泛應用于疾病診斷、治療及科學研究等領域。抗體類藥物以其高特異性、有效性和安全性正在發展成為國際藥品市場上一大類新型診斷和治療劑。

圖 2  抗體藥物的研究方向

Discovery Studio 在抗體藥物研究領域可提供的解決方案：

（1）抗體序列的注釋與分析

重鏈可變區、恒定區、CDR Loop 區的識別

輕鏈可變區、恒定區、CDR Loop 區的識別

Gemline 基因的識別

抗原表位的預測

翻譯后修飾位點的預測

（2）構建抗體結構

抗體 Fab 區模建

抗體全長模建

抗體 CDR Loop 區的模建

抗體人源化模建

（3）預測抗體-抗原（半抗原）相互作用

抗原（半抗原）- 抗體結合模式預測

分子動力學穩定上述復合物結構

抗原（半抗原）- 抗體親和能力強弱預測

抗體表面電荷分布計算

（4）改造抗體結構

虛擬氨基酸突變設計穩定性更好的抗體

虛擬氨基酸突變設計與抗原親和能力更高的抗體 s 預測影響抗體聚集的氨基酸位點

批量預測抗體的聚集效應

預測并引入二硫鍵已提高抗體的穩定性

分子動力學的精確計算

案例分析一、利用同源建模和蛋白對接確定抗原表位 [1]

發熱伴血小板減少綜合征布尼亞病毒（Severe fever with thrombocytopenia syndrome bunyavirus，SFTSV）是我國 2010 年新發現的新布尼亞病毒，可導致人類嚴重發熱伴血小板減少綜合征。

為了更好的控制 SFTSV 的傳染，需要對人體在布尼亞病毒感染免疫反應中的抗原靶標有更好的了解。實驗表明 SFTSV 病毒的核衣殼蛋白是 SFTSV 免疫反應中單抗的主要識別反應蛋白。

思路：本文作者首先通過 DS_MODELER 對 SFTSV 病毒的核衣殼蛋白進行同源建模，并利用 DS_CHARMm 對結構進行優化；然后采用 DS_ZDOCK 將其與抗體分子進行對接，發現了四個區域（圖 6）可能是 SFTSV 病毒核衣殼蛋白的抗原表位；接著采用定點突變的方法對這四個區域進行了驗證。

圖3 實驗思路示意圖

圖 4 抗原表位域預測結果，其中黃色部分為可能的抗原表面區域

案例分析二、利用分子模擬技術輔助鼠源抗體的人源化改造 [2]

多年的研究表明，鼠源性抗體在人體可誘發人抗鼠抗體反應，在臨床應用一般效果不佳。研制人源化抗體可以降低抗體藥物在人體的免疫原性；與鼠源性抗體相比，還可提高效應功能。人源化抗體含嵌合抗體、改型抗體和表面重塑抗體。

思路：本文應用分子模擬技術輔助抗體表面重塑，研究對象為鼠源單克隆抗體 m357，它能夠和人體腫瘤壞死因子作用，起到抗腫瘤的作用，首先應用 DS_MODELER 模建了 m357 可變區的三維結構（圖7），并應用 DS_CHARMm 進行能量優化，然后在該結構模型基礎上計算表面殘基的溶劑可極化表面積。

識別活性殘基，通過序列比對預測可變區保守及非保守殘基（圖8），其中 CDR 區及其周圍 5 埃范圍內非保守殘基仍保留鼠源，然后利用實驗方法將其余非保守殘基人源化，得到的單克隆抗體 h357，經多種方法進行生物活性測定，其完全保留了鼠源抗體的活性，臨床研究正在進行。

圖 5 DS_MODELER 模擬 m357 可變區（Fv）三維結構，紅色部分為互補決定區（CDRs）


圖 6 人源與鼠源抗體可變區序列比對結果

Discovery Studio 在多肽藥物領域的應用

多肽藥物具有副作用小、用量少、生物活性強、療效好等特點，具有廣闊的發展前景，已成為新藥研發的重要方向之一。

圖 7 多肽藥物研究方向

Discovery Studio 在多肽藥物研究領域可提供的解決方案：

（1）多肽結構的構建與優化

多肽結構從頭構建

多肽結構同源建模

多肽結構的分子力學/分子動力學優化

（2）多肽-靶標作用機理解釋

多肽與靶標結合模式的預測

分子動力學穩定上述復合物結構

多肽與靶標親和能力強弱的預測

（3）改造多肽結構

虛擬氨基酸突變提高多肽與靶標的親和力

分子動力學的精確計算

案例分析一、ACE 多肽抑制劑作用機理的研究 [3]

血管緊張素轉化酶（angiotensin converting enzyme，ACE）是一種鋅離子依賴型羧二肽酶，可以催化水解十肽血管緊張素 I 羧基末端兩個氨基酸，生成具有血管收縮作用的八肽血管緊張素 II，在血壓調節系統 renin - angiotensin system（RAS 系統）中具有重要作用，其抑制劑已成功地作為治療高血壓的一線藥物應用于臨床。

思路：作者通過實驗的方法確定了 ACE 抑制劑成分為 LL 二肽。利用 DSV（Discovery Studio Visualizer）從頭構建出 LL 二肽結構并基于分子力學對其構象進行優化，然后將優化之后的 LL 同 ACE 進行柔性的分子對接 DS_Flexible Docking（圖11），從分子水平分析 LL 具體的作用機制，此外還基于 DS_CHARMm 計算分析了 ACE 同 LL（LeuLeu）的相互作用能，從能量角度分析關鍵作用殘基及每個殘基對作用能的不同貢獻。

圖 8 實驗思路示意圖

圖 9 左上圖，整體結合模式；右上圖，局部結合模式；左下圖，疏水作用，藍色為疏水殘基，黃色為親水殘基；右下圖，氫鍵作用

案例分析二、登革病毒 NS2B-NS3 蛋白的多肽抑制劑研究 [4]

登革病毒（Dengue virus，DENV）屬于黃病毒科黃病毒屬中的一個血清型亞群，主要通過埃及伊蚊和白紋伊蚊等媒介昆蟲傳播，引起登革熱以及發病率和死亡率很高的登革出血熱和登革休克綜合征。這些疾病廣泛流行于熱帶和亞熱帶地區，是一種分布廣、發病多、危害較大的人類傳染病。 DENV 依抗原性不同分為 1、2、3、4 四個血清型，其中 2 型傳播最廣泛。

思路：本文作者在尋找 2 型 DENV 蛋白酶抑制劑的過程中，發現其中一種芋螺毒素 MrIA 針對 DENV NS2B-NS3 蛋白酶有抑制活性，而該抑制活性主要由一段含二硫鍵的 loop 區所介導（圖 12）。

基于該段 loop 本文后續進行了一系列的合理優化，最終得到一個含八個氨基酸殘基的環肽，并經實驗證實其抑制活性、穩定性、特異性以及細胞通透性（圖 13）。此外本文采用分子模擬手段考察了該環肽同 DENV NS2B-NS3 蛋白酶的相互作用機制。

首先采用 DS_MODELER 同源建模預測了 DENV NS2B-NS3 蛋白酶的三維結構；其次采用 DSV 工具欄構建了八環肽結構；然后采用 DS_CDOCKER 將八環肽對接至 DENV NS2B-NS3 蛋白酶的活性位點（圖 14）。

圖 10 HPLC 測定譜圖

圖 11 環肽的活性更高

圖 12 相互作用機理示意圖

Discovery Studio 在核酸領域的應用

隨著人們對核酸結構和功能認識的不斷深入，核酸及其衍生物以其獨特的作用與性能在藥物、食品、環境等研究領域都得到了越來越多的關注與應用。特異性結合或裂解致病基因的核酸藥物因其作用效率高，應用范圍廣，是對傳統藥物的補充，具有潛在的臨床應用前景。

圖 13 核酸藥物的研究方向

Discovery Studio 在核酸藥物研究領域可提供的解決方案：

（1）核酸結構的預測和優化

核酸結構的從頭構建

核酸結構的分子力學/分子動力學優化

（2）預測核酸-靶標相互作用

核酸-靶標結合模式預測

分子動力學穩定上述復合物結構

核酸-靶標親和能力強弱預測

核酸表面電荷分布計算

（3）核酸疫苗的設計

抗體結構的預測

抗體-抗原相互作用的預測

抗原的設計與優化

案例分析一、核酸適配體 Aptamer 同 HIV1 病毒中和機制的研究 [5]

HIV-1 病毒的感染在很大程度上依賴于病毒表面的一種糖蛋白 gp120。HIV-1 gp120 參與了病毒入胞的過程，它以三聚體的形式附著在 HIV-1 病毒表面并通過與宿主細胞受體 CD4 結合等一系列過程介導病毒質膜與宿主細胞膜的融合從而導致病毒入胞。由 77 個核苷酸組成的核酸適配體 B40t77 可以與 gp120 高特異性結合從而阻止病毒入胞。

思路：本文首先采用 DSV（Discovery Studio Visualizer）構建了 B40t77 閉合型和開放型的三維結構模型，并基于 DS_CHARMm 進行了結構優化。接著將 B40t77 模型對接至 gp120 晶體結構（2B4C）得到復合物的三維結構，并對其作用模式進行了預測（圖 4）。

發現抗 gp120 適體之所以可以阻止 HIV-1 的入胞過程是通過對 CD4 誘導的抗原表位產生了立體位阻效應并介導了構象的變化從而擾亂了在結合位點的結合。

圖 14 實驗思路示意圖（加靜電表面的圖形）

圖 15 B40t77-gp120 作用模式的預測