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伴随着人类基因组测序的完成及后基因组时代的来临，越来越多的与疾病过程密切相关的靶标生物大分子得以精确测定三维结构。在分子尺度上研究蛋白质结构、功能及大规模蛋白质-小分子相互作用网络以及基于生物作用调控网络进行合理药物设计成为可能。生物体是一个动态的平衡体系，通过分子识别和相互作用实现各种生物功能，而蛋白质-配基(生物活性分子)相互作用处于中心地位，是药物发现的基础。现代药物设计方法的发展要求我们在工作的早期就充分考察一个药物的性质，特别是耐药性和由多相互作用导致的(专一性不强)潜在的毒副作用。如果能够在蛋白质-小分子相互作用网络的水平上，发展和建立行之有效的药物设计方法，设计能够有效干扰和阻断疾病发生途径的小分子药物，对于深入了解生物调控的机制具有重要意义，同时也将带来巨大的经济利益和社会效益。
本论文工作的核心内容是研究和发展基于蛋白质-配基相互作用网络的药物设计方法并且应用于基于小分子功能探针的蛋白质功能预测、分类和实际的药物设计体系中，寻找和发现先导化合物，主要工作可以概括为以下五个方面：
一、建立和发展了人类疾病相关蛋白质及活性小分子结构数据库系统。通过文献调研和结构检索，首先构建了人类疾病相关蛋白质结构数据库HDRP-SD(HumanDiseaseRelatedProteinStructureDatabase)，收录蛋白2266套，其中药物靶点600多套，和疾病过程相关的蛋白1600多套，三维结构坐标4335套。在此基础上，以国际疾病标准分类(ICD-10)为参考，建立了疾病信息数据库CDD(ClinicalDiseaseDatabase)，收录了包括人类血液循环、呼吸系统、肿瘤等在内的二十大类疾病的466种具体疾病，并对每一个疾病进行了详细的注释。在实验室开发的药物和内源性生物活性分子数据库的基础上，构建了生物活性分子数据库BAMD(Bio-activeMoleculeDatabase)，收录包括药物、内源性配基、中药成份活性分子在内的8847个记录。三个数据库相互关联、相互注释，构成了一个完整的生物分子结构数据库系统(HDRP-BD)。我们同时开发了基于WWW界面的数据库检索工具，提供从小分子、疾病、蛋白质出发的三种文本检索途径。此外，这个数据库系统的最大特点是收录了蛋白质的药效团和作用位点结合信息，ii进一步扩展了数据库的应用范围；除了检索以外，还可以进行药物筛选、药物评价以及蛋白质-小分子相互作用网络的计算方法研究。伴随着临床生物医学和结构生物学的发展，人类疾病相关蛋白质及活性小分子结构数据库系统的数据量会不断地更新和增加，数据质量也会得到进一步的改善。
二、深入研究了分子对接方法和相关打分函数问题，并将研究结果应用于药物虚拟筛选，建立了一套快速、有效的数据分析方法。我们对分子对接方法中的三个重要问题：稳定性与重现性、准确性与可靠性、分子量累加效应进行了深入细致的研究。用凝血酶、磷脂酶A2、碳酸酐酶Ⅱ等计算例子说明：1、分子对接的重现性与构象搜索的空间是密切相关的；2、分子对接的打分结果可以通过在小分子和蛋白质两个方向的归一化处理，实现可比的排序；3、分子对接方法在虚拟筛选中应用的最大问题是假阳性太高，在研究中达到了58.8％；在基于对接方法的虚拟筛选结果的数据分析过程中，同时考虑结合关键位点的匹配特性和打分评价的结果，可以有效的降低结果的假阳性，提高虚拟筛选特别是数据分析的效率。在实验室现有的全新药物设计模块Ligbuilder,药效团筛选工具Unity和分子对接模块Dock4.0基础上，我们建立了一套有效的虚拟筛选循环策略，可以在有限的时间内处理和筛选～108的化合物数据库，并且得到高效的化合物备选集。在HLA-DR4拮抗剂的设计中，我们经过筛选购买了12个化合物，其中5个进行生物活性测试，得到了2个比现有多肽活性更好的小分子化合物，充分说明了这种策略的有效性。
三、建立和发展了基于药效团、分子对接的多药物靶位高通量大规模计算机筛选和反向评价体系。应用此系统，研究者可以进行以配体分子为提问结构的受体结构数据库的亲和性筛选。实际算例表明，基于药效团和分子对接的筛选工具均可以从数据库中筛选得到提问分子的目标作用受体蛋白。同时所得的筛选结果还给出了富有启发性的可能与提问分子有结合活性的受体蛋白信息。本系统可以应用于基于结构的药物设计中的分子专一性的考察，现有药物的新型药用功能与天然产物药用价值的开发利用上。
四、利用多重和反向对接策略，研究基于小分子功能探针和作用部位的蛋白质功能分类和预测方法。我们对包括哺乳动物、蛇、昆虫三个物种的胰、非胰、细胞液，蛇毒四个类型的磷脂酶A2数据进行整理，在PDB库中选取不同类别的PLA2结构(共16种)，再从MDDR库中选取已知抑制类别和活性的PLA2抑制剂(共84种)，进行多重分子对接(multiplemoleculardocking)，将所得对接能量数值矩阵进行fingerprint分析，得到了基于相互作用的蛋白质分类，成功解决了cPLA2的分类问题。我们对包括28个蛋白质酶，29个底物分子在内的磷脂代谢网络进行了计算分析，从蛋白质-配基作用网络的重构和基于生物网络的分子设计两个方面研究直接相互作用方法在实际生物体系中应用的有效性。研究结果表明，对于弱相互作用的生物体系，通过多次平行的对接计算和聚类分析可以得到有效的排名并能确定真正存在的相互作用。
五、利用现有的药物设计方法和上述研究结果，对包括水通道蛋白拮抗剂、SARS3CL蛋白酶抑制剂、HLA-DR4系统调控分子在内的多个实际体系进行了分子设计的工作。在设计基础上购买和合成的两个化合物对肿瘤细胞有明显的杀灭和抗转移活性，有可能发展成为全新的水通道蛋白拮抗剂；通过筛选ACD数据库并购买化合物进行生物测活，得到了在蛋白酶水平上对SARS3CL蛋白酶有较好抑制活性的非共价结合小分子化合物；应用作者所建立的基于全新药物设计、分子对接及药效团虚拟筛选相结合的策略，对1400万个化合物进行虚拟筛选计算，挑选并购买了12个化合物，其中的5个用于HLA-DR4体系的生物测活，获得了2个比现有多肽活性更好的小分子化合物。这也是第一次发现这个体系的小分子拮抗剂。
以上五个方面的工作构成了一个完整的先导化合物发现与蛋白质-配基相互作用和分子评价体系，可以服务于医药学药物开发，生物学功能分析、有机化学和天然药物化学的化合物功能预测，特别是中药有效成分的功能分析和直接相互作用的体内机理研究。我们的数据库服务系统和在线计算评估体系已经在INTERNET网上公开发布(http：//www.hdrp-bd.org)，已有来自国内外的多家用户在使用。