蛋白质等生物大分子作为生命体构成的基本元件,其动态特性是行使自身功能及调控生命体活动有序进行的重要基础。从单个氨基酸侧链的转动、局部loop及linker区域的构象变化、单个结构域内部构象变化到多个结构域之间的构象重排,蛋白质构象的动态赋予其特有的生物学功能。在真核生物体内包括磷酸化、泛素化、乙酰化、甲基化等在内的多种翻译后修饰、特定氨基酸位点突变、蛋白质-蛋白质相互作用等都可以在一定程度上调控蛋白质的构象动态,为蛋白质动态网络增加新的维度。常用的蛋白质动态计算方法包括蛋白质构象系综分析、常规分子动力学模拟以及各种衍生的增强采样分子动力学、蒙特卡洛模拟和马尔可夫状态模型;从实验技术方面来说,核磁、氢氘交换质谱、X-Ray衍射以及冷冻电镜等也为蛋白质动态研究提供了有力支撑。在药物设计领域,蛋白质动态为传统的基于结构的药物设计注入新的活力,也带来新的挑战。近年来,高性能计算服务器和计算算法的发展,使得大规模利用计算模拟来探索蛋白质构象动态成为可能,从而促进了关键节点蛋白质动态的功能机制研究以及基于蛋白质动态的药物设计的发展。针对蛋白常规底物口袋发现具有生物活性的小分子在药物设计领域应用广泛,一般而言常规底物口袋药效特征明确,便于建立基于分子对接或者药效团模型的虚拟筛选,但同时由于常规底物口袋在同家族蛋白中保守性较高,也为后续苗头化合物选择性优化带来困扰。而蛋白质动态一方面既可以为靶向底物口袋的化合物选择性优化提供新的方向,即利用底物口袋邻近关键氨基酸的动态特征来合理优化,另一方面基于蛋白质动态可以发现新的变构口袋,且利用变构口袋发现和设计新骨架的苗头分子可以直接从源头上解决化合物选择性优化的难题。在本论文第一部分工作中,我们综合运用分子动力学模拟和基于结构的药物设计方法靶向组蛋白去甲基化酶LSD1进行了苗头化合物发现、确证工作。LSD1作为重要的抗肿瘤药物靶标,其小分子抑制剂发现在药物研发领域备受重视,然而目前处于临床研究阶段的多为与辅因子FAD共价结合的TCP类不可逆抑制剂,且已报道的可逆抑制剂骨架多样性缺乏。基于此,我们建立了分层次的针对底物口袋的虚拟筛选方案,进一步利用体外LSD1酶活测试平台对虚拟筛选化合物进行了评价,从而发现了一类新骨架的苗头分子。此外,我们通过系统分析LSD1晶体结构并结合常规分子动力学模拟和加速分子动力学模拟,发现了底物口袋邻近的一个变构子口袋,并针对此变构口袋进行了虚拟筛选、酶活测试和晶体确证。此项工作为靶向LSD1先导化合物研究提供了全新骨架的苗头分子,并且新发现的变构口袋为后续LSD1变构小分子设计提供了新的思路。细胞周期蛋白依赖性激酶CDK2及其激活蛋白Cyclin-E在多种肿瘤中都呈现高表达,并且CDK2和Cyclin-E的高表达与CDK4/6上市药物的耐药相关,而目前已知的CDK2抑制剂基本为非选择性抑制剂,因此开发选择性CDK2抑制剂一方面有望克服CDK4/6药物耐药性,另一方面也为CDK2的功能机制研究提供化学探针。在本论文第二部分工作中,我们通过分析CDK2蛋白构象系综和长时间分子动力学模拟发现CDK2激酶口袋存在较大的动态性,基于此我们在一类CDK2泛性抑制剂骨架基础上快速设计和合成了新的化合物,并进行了体外实验确证、CDKs激酶选择性评价以及基因表达谱确证。此项工作为基于蛋白质结合口袋动态的快速先导分子优化提供了借鉴,也为后续设计新骨架和新作用机制的CDKs家族抑制剂提供了方向。在本论文第三部分工作中,我们对N-甲基-D-天冬氨酸受体NMDAR质子调控的机制作了深入研究。NMDAR在调控突触可塑性方面起着重要作用,并且NMDAR是治疗抑郁症的重要药物靶标,内源性质子可以抑制NMDAR活性,但具体机制一直存在争议。基于合作课题组提供的pH 7.8条件下的人源NMDAR亚型GluN1-GluN2A冷冻电镜结构,我们进行了长时间的分子动力学模拟,MD模拟的结果和不同pH状态下的冷冻电镜构象一致揭示了GluN2A亚型N端NTD结构域是质子主要的识别和调控区域。此项工作对后续NMDAR生物学功能研究具有重要的意义,同时有助于靶向NMDAR的药物研发。综上所述,本论文从蛋白质动态出发,基于重要抗肿瘤药物靶标LSD1和CDK2开展了基于蛋白质动态特性的药物设计工作,同时深入研究了NMDAR的质子调控机制。从变构口袋发现、基于口袋动态的分子优化以及动态调控机制研究三个不同的层面出发,结合基于结构的药物设计策略和分子动力学模拟,阐述了蛋白质动态在药物设计领域的应用。