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近年来，新药频出的黄金时段已经过去，新药研发难度逐渐增加，其费用与周期也不断攀升。其中一个重要的原因是由于临床试验候选药物的药代动力学性质差、疗效不佳和毒副作用而极大地降低了临床试验的成功率。作为药物研发的源头，药物靶标的发现和识别对药物的研发成功率具有至关重要的作用。新一代测序技术的发展、多向药理学以及系统生物学为药物靶标的识别和发现以及从整体水平上把握药物与机体之间的相互作用提供了新的思路。基于此，本文围绕靶标发现和药物设计这两个药物创新的源头工作，从基因组测序数据出发开展了遗传性疾病致病基因及可药性靶点的挖掘工作，从定性和定量的角度预测和分析药物的作用机制，同时发展了一站式的在线药物设计平台。本文主要包括以下四部分内容: 1.重症肌无力(MG)是一种慢性的神经肌肉信号传递障碍所引起的自身免疫性疾病。虽然已有遗传因子被报道与该疾病相关，但其潜在的遗传病因仍尚未清楚。基于此，本文从该疾病遗传性家族中收集了28个DNA样本，包括5个患病样本、11个尚未发病样本、9个潜在疾病样本、以及3个空白对照样本。通过全基因组测序分析，本文在每个样本中均发现了近1000个外显子SNPs以及近2万个内含子SNPs。进一步分析表明，检测所得的全部SNPs突变基因中有14个与已报道的MG遗传致病基因相关，分别为与乙酰胆碱受体(AChR)在神经-肌肉接头(NMJ)突触后膜的聚集相关的基因(Agrin，LRP4，MuSK，Dok-7，Rapsyn)、与突触前神经递质释放相关的基因(SNAP25，SYT2)、乙酰胆碱受体(CHRNA1，CHRNE)、与蛋白质糖基化相关的基因(ALG14，GFPT1)、以及其它三个与NMJ相关的基因(SLC5A7，SCN4A，COL13A1)。但是，上述基因的突变位点均位于内含子或基因间区域，因此无法对其编码的蛋白质的功能做出准确地分析。另一方面，本文对位于外显子编码区的非同义突变基因进行了GO基因功能富集分析以及KEGG通路富集分析。结果表明，此类突变基因集中出现在免疫相关通路上，如HLA-B(rs707909，p.I90M)和KIR3 DL1(rs35974949，p.W304L)分别出现在患病样本F004和F001上，且这两个氨基酸的突变可能会影响多肽抗原的呈递和自然杀伤细胞的活化，继而通过免疫调节机制影响疾病的发生与发展。本文检测所得的遗传学数据可为重症肌无力遗传病因的研究和可药性靶点的发现提供思路。 2.发展了一种基于协同过滤的特定疾病下药物-靶标相互作用预测方法，可不需要小分子或蛋白质的结构信息，仅需利用已知药物-靶标的关联数据便可完成相关的预测。本文搜集整理了7515条表型数据、169330个活性小分子、19938条人源蛋白质序列419082条生物活性数据，继而运用文本相似性评价方法(MimMiner)、二维分子相似性计算方法(Tanimoto Coefficient)以及蛋白质序列相似性计算方法(Blastp)，构建了表型-表型相似性矩阵、小分子-小分子相似性矩阵以及蛋白质-蛋白质相似性矩阵。在此基础上，进一步结合基于共同评分和相似性权重的协同过滤算法，即可实现给定单一疾病及该疾病对应的小分子-蛋白质关联数据，完成对该疾病相关的潜在药物-靶标关联关系的预测。本文建立的方法在针对133种疾病所开展的五折交叉验证测试中表现出了较大的差异性。其中，约30％的疾病其受试者工作特征曲线下面积(AUC)≥0.9;同时，约64％的疾病其平均AUC≤0.1。进一步分析表明，在133种疾病中有68种疾病其对应的活性小分子仅包含了一个已知作用靶点。针对此类疾病，本方法将无法通过已知的药物-靶标关联数据来评价药物-药物或靶标-靶标之间的相似性，从而导致无法对药物-靶标关联关系进行有效的预测。 3.为解释5/15-LOX双抑制剂JH-2在大鼠关节炎模型中表现出的中低剂量给药抗炎效果优于高剂量给药这一现象，本文旨在从定量生物网络模型的角度出发对其展开讨论。根据已报道的花生四烯酸（AA）代谢网络模型及已发表的实验数据，本文建立了小鼠巨噬细胞的AA代谢调控网络模型，同时结合RAW264.7细胞经A23187刺激后AA通路下游6个代谢产物(LTB4、LTC4、15-HETE、PGE2、PGD2、TXB2)在1小时内随时间的定量变化情况，对模型中的参数进行了拟合和校正。最终得到了AA代谢调控网络模型，可以较好地模拟AA通路被激活后各代谢产物随时间的变化情况。通过分析不同剂量JH-2给药AA代谢调控网络的数学模型和实验模型，本文推测JH-2可通过影响PLA2的活性或影响COX、PGDS、PGES的活性，致使前列腺素(PGs)的产量大大下降。结合大鼠关节炎模型数据，本文认为高剂量JH-2给药可同时抑制LOX和COX通路下游代谢产物，但是LOX通路的抑制将影响抑炎因子LXs的生物合成，从而导致高剂量给药组的抗炎效果差于中低剂量给药组。 4.通过结合本课题组与合作课题组已发展的药物设计方法(Cavity、Pocket、PharmMapper、SHAFTS、Cyndi)，设计并实现了基于web的一体化药物设计平台iDrug(http://lilab.ecust.edu.cn/idrug)。本平台涵盖了超过300万个小分子结构信息、超过5万个靶标药效团数据，可实现药物靶标结合位点识别、药效团模型提取、药效团数据库搜索、分子三维相似性计算及药物靶标识别的功能。为验证iDrug在实际药物研究中的应用，本文以课题组前期开展的工作为基础，结合分子模拟和骨架跃迁手段，设计、合成了一系列结构新颖的6，7-二氧代-6，7-二氢喋啶EGFRT790M选择性抑制剂。其中，化合物17e在细胞水平表现出了431倍的选择性抑制作用，且在50 mg/kg/d口服给药剂量下，对耐药突变H1975裸鼠移植瘤模型也表现出较强的抑瘤活性(TGI=52％)，为后续EGFRT790M抑制剂的设计、优化提供了参考。