恶性肿瘤又称癌症是一类非传染致死性疾病,与心血管疾患并称为严重威胁人类健康和生命的两大杀手。分子靶向肿瘤治疗以其高疗效,低毒副反应以及高度特异性等优点已成为恶性肿瘤治疗领域的主流研究方向之一。激酶是抗肿瘤药物研发中最重要的一类靶标,如针对非小细胞肺癌的关键靶标ALK/ROS1、针对多种恶性血液肿瘤的重要靶标JAK2、针对血液系统肿瘤和淋巴瘤的热门靶标CDK9。目前,靶向ALK/ROS1、JAK2和CDK9的新药研发取得了重大突破,一批激酶小分子抑制剂被用于临床治疗或进入临床研究。然而,随着激酶抑制剂的广泛使用,获得性耐药以及毒副反应等临床应用问题也陆续出现。本论文将采用多种分子模拟方法对几个热门激酶靶点(ALK/ROS1、JAK2和CDK9)小分子抑制剂的结合、耐药性和选择性等机理进行深入理论研究,从而能为筛选和设计新颖有效的激酶抑制剂提供有价值的信息。在第二章和第三章中,采用分子对接、分子动力学模拟(MD)和MM/GBSA结合自由能计算及分解等模拟方法,揭示了ALK激酶和哌啶甲酰胺类Type-I1/2型抑制剂间的结合机制。据此,设计了32个1-嘌呤-3-哌啶甲酰胺类Type-I1/2型ALK抑制剂,其中5个化合物的活性达到皮摩尔级别。特别是001-017对L1196M、C1156Y、R1275Q和F1174L突变ALK的耐药细胞株有很强的抑制活性。随后,采用基于多构象的分子对接和基于MD的MM/PB(GB)SA方法模拟了1-嘌呤-3-哌啶甲酰胺类Type-I1/2型抑制剂结合的“构象选择”和“诱导契合”过程。模拟结果显示,引入蛋白柔性对于准确预测Type-I1/2型抑制剂的结合机制至关重要。此外,伞形采样(umbrella sampling,US)模拟显示化合物001-007既具有最强的结合能又具有最长的滞留时间。在第四章中,结合MD模拟、US模拟、MM/GBSA结合自由能计算及分解等模拟方法从能量转化和构象变化两个方面探索了L884P突变导致抑制剂BBT594和CHZ868耐药的分子机制。US模拟揭示,在BBT594和CHZ868分别从野生型和L884P突变JAK2结合口袋解离的过程中,L884P突变会影响JAK2重要活性区域的构象并破坏重要的残基-残基和残基-抑制剂相互作用。构象熵变(-TΔS)和RMSFs值的增加显示L884P增强了别构口袋中β3-折叠区、αC螺旋和DFG的柔性。自由能分解显示L884P突变削弱了BBT594与Tyr931和Glu898间的相互作用。在第五章中,使用MD模拟、拉伸动力学模拟、US模拟、MM/GBSA结合自由能计算以及分解揭示了4-(噻唑-5-基)-2-苯胺基-嘧啶类抑制剂对CDK9和CDK2激酶的选择性机理。模拟结果显示,CDK9的内在柔性以及“宽敞”的结合口袋,有利于尺寸较大的化合物12u和4在口袋中调整构象获得最佳结合状态。结合自由能分解结果表明,活性口袋周围非保守残基也是决定抑制剂选择性的重要因素。在第六章中,以ROS1为目标靶点,评估多种基于靶点结构的虚拟筛选策略对ROS1抑制剂的筛选精度。首先,使用朴素贝叶斯分类方法(na?ve bayesian classifier,NBC)将基于多个靶点结构的分子对接得分进行了整合,结果显示基于10个ROS1结构对接结果的NBC筛选模型具有最高的预测精度。此外,我们将MM/GBSA残基分解能量项(MIEC)和支持向量机(SVM)相结合构建了针对ROS1的MIEC-SVM预测模型,该模型的抑制剂富集率和对抑制剂的排序能力均比Glide XP对接打分更优。