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目前,病毒感染是世界上主要的传染性疾病,占据了传染性疾病病种的四分之三以上,对人类的健康和生命造成了严重威胁。自1981年起,由于人类免疫缺陷病毒（HIV）入侵造成的艾滋病仍是世界范围内难以控制的恶性传染病,而2019年感染严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起的肺炎疫情也仍在全球持续,这无疑给整个医疗卫生领域都带来了巨大挑战。SARS-CoV-2与HIV都属于单链RNA逆转录病毒,具有极高的传染性以及危害性。目前,已有抗HIV上市药物,但由于抗HIV-1药物的长期使用,治疗效果受到了严重限制,急需开发新型药物;对于SARS-CoV-2,目前尚未有相关治疗药物,而已有疫苗上市并陆续进行接种,但其安全性以及有效性仍待评估。因此在做好艾滋病以及新冠肺炎防护的同时也要积极推进治疗药物以及疫苗的进一步开发。本论文主要针对HIV-1以及SARS-CoV-2病毒从以下三个研究内容展开,期望助力HIV-1以及SARS-CoV-2的药物开发:第一部分:抗HIV-1蛋白片段类药物monobody的设计。Monobody是一类衍生自III型人纤维连接蛋白第十结构域（10Fn3）的蛋白支架类药物（～10 k Da）,具有多功能性,且对多个治疗靶标具有治疗潜力,monobody具有单克隆抗体的性质,但又可以克服单克隆抗体因体积过大而不能准确抵达靶点的缺陷。可开发其作为HIV-1融合抑制剂,成为新型HIV-1治疗药物。本研究在已有实验表明具有抑制HIV-1效力的monobodies（Mbs）基础之上,挑选出了分别靶向宿主蛋白CD4蛋白（4910＿A08、6940＿B01）以及病毒gp41蛋白（4058＿H08、6200＿A08）的Mbs,期望利用计算模拟的方式首次从分子水平上阐明Mbs与靶蛋白的结合机制。首先利用蛋白质结构预测方法构建Mbs结构,随后通过多种蛋白-蛋白对接工具以及分子动力学模拟寻找并从多角度评估monobody与CD4和gp41的复合物结构,探索得到了4910＿A08-CD4、6940＿B01-CD4、4058＿H08-gp41、6200＿A08-gp41复合物的优势结合构象（近真实状态,near-native）,阐明Mbs与靶蛋白的相互作用机制,并利用蛋白再设计的方法在预测出的理想结合模式上设计出了17个能量降低、结合力增强的Mbs,并识别了在蛋白-蛋白相互作用中发挥关键作用的残基。第二部分:基于结构发现靶向SARS-CoV-2 Mpro的新型非肽抑制剂。主要蛋白酶(Mpro)作为SARS-CoV-2病毒颗粒成熟的关键酶,在SARS-CoV-2的复制过程中起着重要作用,因此成为了治疗COVID-19的极具吸引力的靶点。在本次研究中,采用了基于9种不同Mpro构象的虚拟筛选策略以识别具有抑制SARS-CoV-2Mpro的小分子抑制剂。利用系综对接法筛选含有8,960个结构的蛋白模拟物数据库,考虑对接打分以及小分子骨架多样性等方面的因素,挑选出50个化合物并购买到49个化合物。表面等离子共振（SPR）实验显示6个化合物可与Mpro结合,荧光共振能量转移（FRET）实验测出这6个化合物抑制Mpro的IC50值为0.69±0.05μM到2.05±0.92μM。基于Vero细胞的抗病毒活性测试显示Z1244904919和Z1759961356两个化合物可强烈抑制病毒在Vero细胞中的复制,其EC50值分别为4.98±1.83μM and 8.52±0.92μM。通过分子动力学（MD）模拟以及结合自由能分析,阐明了这两种抑制剂的作用机制。本研究筛选出的新型骨架小分子可为Mpro抑制剂的开发以及候选化合物的改造提供依据。第三部分:利用计算方法设计靶向SARS-CoV-2 RBD的nanobody。当SARS-CoV-2感染时,病毒刺突蛋白上的受体结合域（RBD）会首先与宿主细胞上的受体血管紧张素转化酶2（ACE2）结合,因此阻止RBD与宿主ACE2的结合亦可有效阻止SARS-CoV-2的入侵。在本次研究中,通过嫁接已知的SARS-CoV、MERS-CoV以及SARS-CoV-2的单克隆抗体（m Abs）的互补决定区域（CDRs）到稳定的nanobody骨架得到了16个含有不同CDRs的nanobodies（Nbs,CS01-CS16）,利用蛋白结构预测方法预测16个nanobody的结构并通过Rosetta蛋白-蛋白对接构建其与SARS-CoV-2 RBD的复合物结构,最终CS01、CS02、CS03、CS10以及CS16通过不同作用机制与SARS-CoV-2进行有效结合,CS01、CS02、CS03占据ACE2的结合位点发挥抑制作用,CS10与CS16则通过变构机制发挥抑制作用。在获取上述5个Nbs与RBD复合物的基础之上,定义二者相互作用的界面为可变区域对nanobody进行突变,产生全新的nanobody序列。分子动力学模拟以及能量分析所识别的相互作用界面上的关键残基有利于理解Nbs与RBD的作用机制。最终总共获得了11个稳定且具有高亲和力的nanobody序列,这些Nbs均能阻断RBD与ACE2的结合。本研究中所用蛋白设计方法可应用于其他相似靶点的蛋白类药物设计。综上所述,针对HIV-1病毒,我们首次从分子水平上预测了monobody与宿主CD4以及病毒gp41蛋白结合的复合物结构,阐释了作用机制并设计了新型Mbs;针对SARS-CoV-2病毒,发现了具有Mpro抑制活性、可作为药物先导物的小分子,并设计出了11个可阻止RBD与ACE2结合的Nbs。以上结果都可为HIV-1以及SARS-CoV-2药物的发现与设计提供重要参考。