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随着基因组学、蛋白质组学和化学生物学等学科的发展，越来越多的与疾病过程密切相关的生物靶标被识别和确证，而且X射线晶体衍射以及多维核磁共振等实验技术的进步使靶标分子的三维结构得以精确测定，以此为基础的“基于结构的药物设计”(Structure-Based Drug Design，SBDD)因而得以广泛开展并成为现代药物研发的主流策略之一。在我国大力发展创新药物研究的背景下，SBDD理念的引入及实施将有助于各类新药的快速发现，促进我国创新药物研究与国际接轨，从真正意义上提高我国的新药研发水平。
本论文工作以SBDD理念为主线，进行了具有抗肿瘤活性的新颖药物分子的发现和设计，开展了作为SBDD核心问题的蛋白一配体结合的理论方法研究，主要包括以下三方面的工作。
一、以Bcl2家族蛋白为靶标的有机小分子抑制剂的研发。Bcl－2家族蛋白是近年来抗肿瘤药物研发领域的热门靶标，然而由于其特殊的生物功能(属于蛋白－蛋白相互作用)和结构特点(柔性较大)，设计专一性的小分子调节剂并在此基础上发展新型抗肿瘤药物具有相当的挑战性。在本部分工作中，作者综合运用生物学实验及分子模拟的方法，围绕这一目标取得了一定成果。具体包括完成了靶蛋白Bcl－xL的体外表达纯化，构建了表达靶蛋白Bcl-2和Mcl－1的基因序列；建立了基于荧光偏振(FluorescencePolarization，FP)原理的体外靶蛋白亲合性测定方法，发展了相应的竞争性结合实验，用以测定小分子化合物抑制靶蛋白与天然底物多肽结合的生物活性；通过基于FP实验的筛选得到具有噻唑并[3，2－α]嘧啶骨架和噻唑联吡唑酮骨架的两类先导化合物，运用分子对接和平行分子动力学模拟预测了它们与靶蛋白Bcl－xL的结合模式，在此基础上进行了基于结构的药物设计，所发展的两类抑制剂针对Bcl－2家族蛋白的拮抗活性均为首次发现，合成路线短，活性良好，对肿瘤细胞也具有微摩尔级别的生长抑制活性，有望开发成为靶向Bcl－2家族蛋白的新型抗肿瘤药物，现已申请国家发明专利。此外，为了快速高效地获得更多的先导化合物，作者开展了基于多个靶蛋白构象的虚拟筛选以克服Bcl-xL活性部位结构柔性较大的问题；不仅将基于复合物结构的药效团模型用于分子对接前的预筛选，而且用于分子对接后的化合物过滤；最终从Maybridge化合物库的57，387个化合物中虚拟筛选得到76个化合物，其中4个化合物表现出微摩尔级别的分子水平抑制活性。总之，本课题综合了分子模拟、化学合成以及生物学实验，在较短的时间内耗费较少的资源就获得了活性良好的化合物，充分展示了基于结构的药物设计的威力。
二、分子对接程序的系统评估及应用。作为SBDD领域预测蛋白－配体结合模式的常用计算工具，分子对接程序的应用和发展需要评估工作的指导，然而如何确保测试集的多样性和去冗余，保证评估结果的公正性和系统性一直是难以解决的问题。在本部分工作中，作者所在课题组系统收集了蛋白质结构数据库(Protein Data Bank，PDB)中蛋白－配体复合物结构对应的亲合性数据(Kd，Ki，IC50)，构建了PDBbind数据库，在此基础上首次尝试以蛋白序列相似性和蛋白－配体亲合性大小作为双重指标进行蛋白－配体复合物结构的挑选，构建了一个数据量大、结构数据质量高、蛋白及配体多样性好且去处冗余的标准化测试集。作者利用此测试集对四种主流的商业分子对接软件(Glide，GOLD，LigandFit和Surflex)在多种参数条件下进行了系统评估，所得到的结论可用于指导分子对接程序的应用及进一步研发。这里主要考察了它们预测蛋白-配体复合物结合模式的能力，包括在整个测试集上的总体表现以及在不同子测试集下的表现，结果表明GOLD总体表现最好。另外，作者首次在不同构象搜索水平上对分子对接程序的性能进行了评测，发现对接程序的表现不一定随着计算水平的提高而变好。最后，利用评估工作的结果，作者发展了基于“反向分子对接”的生物靶标预测解决方案，构建了包含靶标－药物复合物结构以及基于复合物结构的药效团模型的药物靶标数据库，利用药效团匹配搜索进行靶标的预筛选以解决反向分子对接耗时的问题，初步结果表明该方案能够成功预测数据库中中等大小(含11－23个非氢原子)的小分子药物的生物靶标。
三、共价结合的蛋白－配体复合物结构与亲合性的系统研究。理解蛋白－配体之间的相互作用是SBDD的前提和基础。针对蛋白－配体相互作用研究领域中对共价作用研究薄弱的现状，作者首次系统收集了PDB数据库中共价结合的蛋白－配体复合物结构，通过查阅对应的原始文献总结和分析了形成共价作用的蛋白残基和配体官能团类型，初步研究了蛋白－配体共价结合机制，对化学生物学和药物开发领域中蛋白－配体共价结合的应用具有重要的指导意义。另外，作者结合PDBbind数据库对共价蛋白－配体复合物的亲合性进行了研究，比较了79个共价复合物、164个金属离子介导的复合物以及1，392个非共价复合物的亲合性数据，也对特定蛋白类型(凝血酶)的共价和非共价复合物进行了研究，结果表明可逆共价作用能够提高蛋白－配体的亲合性，但提高程度不大(平均小于20倍)，这可能是由焓-熵补偿效应造成的。另外，从蛋白－配体亲合性的角度来说，金属离子介导的蛋白－配体复合物不能简单地归属为共价或非共价复合物。这些研究结果填补了蛋白－配体亲合性研究领域的空白。