本标准化方案将网络药理学与分子对接结合分子动力学(MD)模拟,用于药物发现。该方案建立了定量筛选标准和可重复的实验步骤,适用于利用公共数据集进行多靶点药物筛选,并提高结果的可靠性。
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本标准化方案将网络药理学与分子对接结合分子动力学(MD)模拟,用于药物发现。该方案建立了定量筛选标准和可重复的实验步骤,适用于利用公共数据集进行多靶点药物筛选,并提高结果的可靠性。
网络药理学与分子对接技术广泛应用于药物发现领域,但零散的工作流程和不一致的操作常导致研究结果的可重复性降低。本文介绍了一种将上述方法整合为可重复框架的标准化操作流程,用于药物筛选与机制探索,该流程分为三个连续阶段:数据准备、计算分析和验证。在准备阶段,通过吸收、分布、代谢、排泄和毒性(ADMET)标准(包括口服生物利用度、类药性及毒性预测)对公共数据库中的化合物库进行筛选;同时通过靶点预测并整合疾病相关数据库,全面识别药物-疾病相互作用的候选靶点。在计算分析阶段,对交集靶点进行基因本体(GO)和京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析,并结合蛋白质-蛋白质相互作用网络的拓扑学分析以确定核心靶点;分子对接采用两种具有不同优势的标准化可选策略进行配置。两步渐进策略首先使用AutoDock Vina对化合物库进行高通量初筛,随后利用YASARA进行精确的再对接,该方法可消除高通量筛选中的假阳性结果,并生成与后续YASARA分子动力学(MD)模拟天然兼容的蛋白-配体复合物,避免因跨软件格式转换引起的结构偏差。单步策略则完全通过YASARA独立完成全部对接过程,操作流程更简洁,实验效率更高,适用于特定研究目标。在验证阶段,采用标准化的分子动力学模拟,通过均方根偏差(RMSD)和均方根波动(RMSF)等核心指标评估配体-蛋白复合物的稳定性。该统一且可重复的技术流程提升了网络药理学与对接研究的可靠性,有助于计算药物发现领域的跨研究比较。
网络药理学是一种从整体网络视角解析药物与生物体之间相互作用模式的研究方法1。通过构建并分析涵盖“药物-成分-靶点-疾病-生物通路”的相互作用网络,定量识别药物发挥疗效的关键分子、核心通路及协同作用机制。该分析框架符合国际公认的网络药理学标准,强调多组学数据整合与拓扑网络分析,最终阐明药物的整体治疗效应,预测潜在不良反应,或为新药研发提供系统性指导。该策略已成功应用于多个领域,包括解析非甾体抗炎药(NSAIDs)抗新型冠状病毒(COVID-19)作用靶点相关信号通路,以及探索治疗骨肉瘤和2型糖尿病等疾病的作用机制2,3,4。这一优势推动了现代药理学从单一靶点向多靶点药物发现的范式转变。
分子对接是一种计算模拟技术,通过算法建模评估小分子化合物与生物大分子靶标之间的空间匹配性和相互作用强度,从而预测最佳的结合构象5,6。Morris 等人开发了 AutoDock4 和 AutoDockTools4,这些工具支持受体选择性柔性的自动对接,基于分子动力学和分子几何学,通过计算分子间能量差异来评估结合的稳定性和亲和力7。AutoDock 等经典工具采用半柔性配体-受体建模方法,已成为此类模拟中评估结合亲和力的金标准7。
在药物发现中,网络药理学筛选技术常用于鉴定关键成分,随后通过分子对接验证这些成分与靶标蛋白的结合能力,从而建立药物与疾病之间的关联8。然而,当前的应用普遍存在实验设计不一致、操作流程不规范以及缺乏验证步骤等问题。一项针对中药相关网络药理学研究的系统性评估已记录了这一普遍现象,指出不同数据库间的数据异质性以及实验验证不足导致研究结果难以重复9。这些局限性不仅削弱了研究成果的可重复性和可靠性,也阻碍了计算预测向实验验证的转化。与缺乏实验验证的孤立网络药理学研究或参数任意的碎片化对接流程不同,本方案将两种方法结合,并采用标准化阈值和逐步操作流程。该框架消除了主观参数选择,确保不同操作者均可获得一致结果,实现流程的可重复性。
因此,建立标准化的操作流程,通过网络药理学筛选识别潜在药物靶点和通路,并结合分子对接验证药物-靶点结合活性,可为研究药物作用机制及候选药物筛选提供实验依据10。该方案特别适用于利用公开可用的组学、化学和蛋白质结构数据库,对药物成分和合成小分子进行多靶点药物筛选;但不适用于尚无解析晶体结构的靶点,或缺乏已知疾病相关相互作用网络的单靶点孤儿药物筛选。
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本方案仅涉及对公开数据库的计算分析,不涉及人类受试者、脊椎动物或生物组织的使用。本节所述的所有摘要工作流程均在图1中予以图示说明。

图 1:工作流程概要。 绿色矩形代表替代药物组分,红色矩形代表疾病,黄色椭圆包含所使用的网站和软件,橙色矩形包含获得的文件或数据以及关键步骤,紫色菱形代表最终所需结果。 请点击此处查看此图的放大版本。
1. 药物成分及靶点的获取
表1:ADMETlab 3.0 药物安全性筛选的阈值标准。 该表格总结了关键理化性质、ADME参数、代谢相互作用、毒性终点、毒性通路及毒理结构规则的推荐截断值与分类范围。根据概率值(< 0.3、0.3 - 0.7、> 0.7)或定量范围,预测结果被分为三个风险等级(低、中、高),可用于新药早期发现阶段对化合物安全谱的系统性评估。请点击此处下载该表格。
表2:ProTox-3.0 在药物发现中用于毒性预测的阈值标准。 本表总结了ProTox 3.0预测的关键毒性终点,重点关注药物早期发现阶段药物安全性评估中的关键参数。每个终点均提供二元分类结果(“有活性”或“无活性”)及相应的概率评分(0–1),“有活性”表示具有潜在毒性风险。应优先关注器官毒性(肝毒性、心脏毒性)、毒性终点(致癌性、致突变性、免疫毒性)以及CYP代谢酶抑制,因为这些是导致临床研发失败的主要原因。若多个终点均显示“有活性”,提示化合物具有广泛的毒性潜力,应考虑降低其研发优先级。急性毒性通过预测的LD50值和GHS分类进行评估,其中1–3类(< 300 mg/kg)被视为高毒性。概率评分反映了各项预测的置信度。请点击此处下载该表格。
2. 疾病靶点的获取
注意:在筛选数据库时,应统一目标基因的命名规范,以避免因命名差异导致遗漏。
3. 常见药物-疾病靶点的获取
4. 蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络的构建与核心靶点分析
5. GO 和 KEGG 富集分析与可视化
注意:本部分阐明基因在细胞组分、功能及细胞内通路水平上的作用。
6. 使用 Autodock Vina 进行分子对接
注意:步骤6和步骤7均为分子对接步骤。步骤6使用AutoDock Vina 1.1.2软件,而步骤7使用YASARA 10.3.16。使用YASARA有助于后续进行YASARA分子动力学模拟。如果需要AutoDock Vina的对接结果,则YASARA中的对接结果应与AutoDock Vina的结果保持一致。这可避免因软件切换导致的差异,并确保分子动力学模拟验证结果的可靠性。具体方法如下:使用LigPlot+(版本2.3)打开步骤6.31的“result.pdb”结果,生成二维相互作用图,识别与配体相互作用的关键残基;然后在YASARA的对接步骤7.18中选择这些关键残基,并设置对接盒子大小以覆盖结合口袋,从而最大程度地保证Vina与YASARA之间对接位点的一致性。随后,在步骤7.19选择最优对接构象时,应确保配体与受体之间的关键相互作用残基与AutoDock Vina结果中识别出的残基一致。该一致性要求侧重于保留关键的相互作用模式,而非原子位置的完全对应;由于力场参数化和侧链柔性的差异,周边残基构象的微小变化是可预期的。只要与活性位点关键残基的重要相互作用得以保留,即可认为对接结果在交叉验证意义上具有一致性。若无需进行AutoDock Vina对接(步骤6),可直接执行步骤7。
7. 使用 YASARA 进行分子对接
注意:此步骤为后续分子动力学(MD)模拟提供精确的重新对接和预处理,同时也是对第6步高通量初筛结果的逐步验证。第6步使用AutoDock Vina这一高通量虚拟筛选的金标准工具,从化合物库中快速筛选出具有优良结合亲和力的候选分子。本步骤采用YASARA进行对接,因其对接模块与YASARA MD模拟平台完全兼容,可避免因文件格式转换和软件切换导致的结构偏差,为后续MD模拟提供标准化的初始复合物结构。对于第6步中AutoDock Vina筛选出的所有候选分子,本步骤获得的对接结果(包括在活性口袋中的结合构象及关键氨基酸相互作用)必须与AutoDock Vina的结果一致,且结合亲和力的相对排序趋势需保持相同,方可进入MD模拟。由于两种软件的计算算法不同,其绝对对接评分不可直接比较。该一致性要求可消除因软件差异导致的假阳性结果,确保候选分子结合特性的稳定性,保障后续MD模拟验证的可靠性与逻辑连贯性。
8. 分子动力学模拟
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在对氯雷他定治疗过敏性鼻炎(AR)进行网络药理学分析之后,选择氯雷他定与PTGS2之间的相互作用作为代表性案例研究,以逐步展示分子对接和分子动力学(MD)模拟方案的应用。本示例旨在演示工作流程的执行过程和数据分析方法,而非对该特定相互作用提供生物学验证。为与实验数据进行定量评估,建议用户将该方案应用于公共数据库中已知结合亲和力的、特征明确的体系。
靶点识别与重叠分析
从公共数据库中总共获得127个与氯雷他定相关的靶点。通过多个疾病数据库收集了与过敏性鼻炎(AR)相关的靶点,共得到2,620个靶点。如维恩图(图2)所示,氯雷他定与过敏性鼻炎之间共有57个重叠靶点。这57个共同靶点被选为潜在的治疗靶点,用于后续的网络分析和富集研究。
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意义与关键步骤
本方案结合了网络药理学、分子对接和分子动力学模拟,相较于单一方法或双组合流程具有显著优势,有助于解决当前药物发现中存在的关键效率低下和可靠性不足的问题。整个流程依赖于三个关键步骤,以确保其可靠性,每一步均针对计算药物筛选中的核心挑战。首先,通过多数据库整合(例如,使用 PubChem 获取小分子结构,5 个数据库获取疾病靶点,GO 和 KEGG 用于生物学机制与通路注释)并结合 ADMET 性质筛选,避免了依赖单一数据库带来的偏倚,确保仅有具备体内潜力的成分得以进入后续研究4。其次,采用多种拓扑指标(介数、接近度、度值、特征向量和 LAC)对成分-靶点-疾病网络进行拓扑分析,优先识别驱动疾病发生发展的核心基因,而非治疗相关性较低的边缘靶点3,11。第三,通过 AutoDockTools 对靶标蛋白进行严格制备并精确定义结合位点,以避免非特异性对接。靶标蛋白的制备包括去除共结晶配体和水分子,Morris 等人已证明...
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所有作者声明均无利益冲突。
国家重点研发计划&中国国家重点研发计划(2024YFC3506300,2024YFC3506301),国家中医药管理局高水平重点学科—中医体质医学(编号:zyyzdxk-2023251),国家自然科学基金面上项目(82204948),中国教育部基础与交叉学科突破计划(JYB2025XDXM612),湖北省重大科技专项(2023BCA005),湖北时珍实验室首席科学家研究项目(HSL2024SX0002)
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ADMETlab 3.0 | 中国科学院上海药物研究所 | N/A | 用于预测配体药物代谢动力学和毒理学特征的ADMET(吸收、分布、代谢、排泄、毒性)性质在线平台(URL: https://admetlab3.scbdd.com/) |
| AutoDock Tools(AutoDock 4) | 斯克里普斯研究所 | AutoDock 4.2.6 | 用于分子对接模拟的软件套件;包含用于对接的 AutoDock 4,以及用于准备蛋白质和配体输入文件(添加氢原子、分配电荷、设置可旋转键)、定义对接网格和分析对接结果的 AutoDockTools(ADT)。 |
| AutoDock Vina | 斯克里普斯研究所 | AutoDock Vina 1.1.2 | 开源分子对接软件;用于预测小分子配体与蛋白质受体之间的结合亲和力及结合构象 |
| Chem3D | 珀金埃尔默信息学 | Chem3D 2024 | 分子建模软件;用于构建、优化和可视化小分子配体的三维结构 |
| Cytoscape | Cytoscape 联盟(系统生物学研究所) | Cytoscape 3.10.3 | 用于可视化和分析生物网络的开源软件;适用于构建和编辑基因/蛋白质相互作用网络 |
| DAVID(功能注释、可视化与集成发现数据库) | 美国过敏与传染病研究所(NIAID) | N/A | 用于功能注释与富集分析的在线工具;适用于对目标基因进行 GO(Gene Ontology)和 KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)通路富集分析(URL: https://david.ncifcrf.gov/ |
| DisGeNET 数据库 | 巴塞罗那超级计算中心(BSC) | N/A | 基因-疾病关联数据库;用于识别与特定疾病相关的基因(URL: https://disgenet.com/) |
| GeneCards 数据库 | 魏茨曼科学研究所 | N/A | 人类基因综合数据库;用于获取全面的基因信息(如表达、功能、疾病关联)(URL: https://www.genecards.org/) |
| LigPlus | 欧洲分子生物学实验室-欧洲生物信息学研究所(EMBL-EBI) | LigPlus 2.3 | 从三维坐标文件自动生成二维蛋白质-配体相互作用图的软件 示意图展示了氢键、疏水相互作用以及结合位点的残基 注册时使用学术邮箱即可获取 https://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/software/LigPlus/ . |
| OMIM 数据库 | 约翰斯·霍普金斯大学医学院(与美国国家生物技术信息中心合作) | N/A | 在线人类孟德尔遗传数据库;用于检索遗传性疾病及其相关基因的信息(URL: https://www.omim.org/ |
| OpenBabel | OpenBabel 开发团队 | N/A | 开源化学工具箱;用于在不同软件平台之间转换分子文件格式(例如,从 .mol2 转换为 .pdb) |
| PharmGKB 数据库 | 斯坦福大学 | N/A | 药物基因组学知识库;用于检索基因-药物相互作用和药物基因组学变异信息(URL: https://www.pharmgkb.org/ |
| Prism | GraphPad Software | Prism 9 | 用于科学绘图、数据分析(例如绘制结合能分布曲线、分析误差棒)以及生成适合发表的高质量图表。 |
| ProTox 3.0 | 查里特é - 大学ä德国柏林tsmedizin | N/A | 用于预测小分子毒理学终点的在线工具;可用于评估候选配体的潜在毒性(URL: https://tox.charite.de/protox3/index.php?site=home |
| PubChem 数据库 | 美国国家生物技术信息中心(NCBI) | N/A | 化学信息公共数据库;用于检索小分子配体的二维/三维结构及理化性质(URL: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ |
| PyMOL | 施ödinger, LLC | PyMOL 2.6.1 | 分子可视化软件;用于查看、编辑及生成蛋白质-配体复合物的高质量图像 |
| R Studio | Posit, PBC | Rstudio 2025.09.1+401 | 用于R语言编程的集成开发环境(IDE);适用于生物数据的统计分析以及GO/KEGG图谱的绘制 |
| RCSB PDB 数据库 | 结构生物信息学研究协作实验室(RCSB) | N/A | 蛋白质结构数据库;用于以 PDB 格式检索蛋白质受体的三维结构(URL: https://www.rcsb.org/ |
| SEA(相似性集合分析方法) | 斯克里普斯研究所 | N/A | 基于化学相似性的靶点预测在线工具;用于补充SwissTargetPrediction以确认配体靶点(URL: https://sea.bkslab.org/) |
| STRING | STRING 联盟(EBI、SIB 等) | N/A | 已知和预测的蛋白质-蛋白质相互作用数据库;用于构建基因/蛋白质相互作用网络(URL: https://string-db.org/) |
| SwissTargetPrediction | 瑞士生物信息学研究所(SIB) | N/A | 用于预测小分子潜在蛋白质靶点的在线服务器;可用于鉴定配体的候选受体(URL: http://swisstargetprediction.ch/) |
| TTD 数据库 | 中山大学药物发现与开发研究所(IDRBL) | N/A | 治疗靶点数据库;用于检索已验证及潜在药物靶点的信息(URL: https://db.idrblab.net/ttd/) |
| UCSF Chimera | 加州大学旧金山分校生物计算、可视化与信息学资源中心(Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics, RBVI) | UCSF Chimera 1.19 | 分子可视化与分析软件;用于蛋白质结构准备,包括缺失环区重建(通过 Modeller 接口)、侧链优化(Dunbrack 旋转异构体库)、质子化状态调整,以及采用 AMBER ff14SB 力场进行能量最小化。1.19 版本(2025 年 3 月发布)修复了 PDB 结构获取功能 . 可免费用于非商业用途,网址为 https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ . |
| UniProt数据库 | UniProt 联盟(EBI,SIB,PIR) | N/A | 蛋白质序列与功能的综合数据库;用于检索蛋白质序列、结构及功能注释(URL: https://www.uniprot.org/ |
| Venny 2.1.0 | 国家生物技术中心í西班牙国家研究委员会生物分子与细胞生物学研究所(CNB-CSIC) | N/A | 用于生成维恩图的在线工具;可用于可视化基因集之间的重叠情况(例如来自不同数据库的靶基因)(URL: https://bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny/) |
| YASARA | YASARA Biosciences | YASARA 10.3.16 | 分子建模与模拟软件;用于分子对接(步骤 3.7)及后续的分子动力学模拟,以验证对接结果 |
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