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复杂疾病(Complex disease)是指涉及多条信号通路,由遗传因素和环境因素共同作用所致的一类疾病。特应性皮炎(Atopic dermatitis,AD)和炎症性肠炎(Inflammatory bowel disease,IBD)是两种具有相关性且致病机制尚不明确的复杂疾病,其影响范围广、患病率高、治疗靶点繁复且尚不明确,由此,对两种疾病的病因以及治疗措施研究迫在眉睫。中药成分中富含大量的活性物质,已有研究发现了可用于治疗肿瘤、阿尔兹海默症等复杂疾病的多靶点中药小分子。基于此,本文以AD和IBD为研究对象,通过蛋白-蛋白相互作用(Protein-protein Interaction,PPI)网络分析鉴别在疾病致病机制中发挥关键作用的靶点,并通过分子对接+深度学习的组合筛选策略,从TCM@Taiwan中药数据库中筛选能够同时调控多个关键靶点的多靶点药物小分子,最后通过分子动力学特征、自由能形貌图和结合自由能分析,从理论层面上阐释多靶点药物小分子与各个关键靶点的结合模式以及相互作用机制。AD的主要研究内容及结论如下:(1)通路富集分析结果表明:AD与IBD极显著相关。由PPI网络分析可知,肿瘤坏死因子α(Tumor necrosis factor alpha,TNFα)和白介素4(Interleukin-4,IL-4)是AD治疗的关键靶蛋白,而能够同时抑制TNFα和IL-4的多靶点小分子具有缓解及控制AD的潜力。中药小分子咖啡酰苹果酸(Caffeoyl malic acid,CMA)与TNFα以及IL-4的分子对接模型均展示出良好的相互作用,且CMA被我们构建的基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的TNFα抑制剂二分类模型评估为TNFα抑制剂,表明CMA具有同时抑制TNFα和IL-4双靶点的潜力。(2)从理论层面上研究了CMA与TNFα、IL-4的结合模式及相互作用机制,结果表明:(1)动力学特征分析表明:在100 ns的模拟时间尺度下,TNFα-CMA以及IL-4-CMA复合物结构稳定,CMA的结合对TNFα、IL-4的动力学特征(结构波动、结构灵活性、结构松散度、总运动强度)产生了不同程度的影响。(2)自由能形貌图分析表明:CMA影响了TNFα中三个亚基的聚合,具有成为TNFα变构抑制剂的潜力;CMA与IL-4中GLU9产生稳定的氢键相互作用,与LYS12产生稳定的疏水相互作用,这些相互作用能够在一定程度上阻碍IL-4~IL-4Rα复合物的形成,而CMA与GLN78产生稳定的氢键相互作用,与ARG85产生稳定的氢键和静电相互作用,这些相互作用能够在一定程度上减缓IL-4~IL-4Rα复合物的形成。(3)基于残基的结合自由能分解表明:TNFα中各亚基的LEU133-GLN137、TYR195-VAL199、ILE231和LEU233残基在CMA与TNFα结合过程中发挥关键作用,IL-4中的LYS12、THR13和PHE82残基在CMA与IL-4结合过程中发挥关键作用。IBD的主要研究内容及结论如下:(1)IBD可分为克罗恩病(Crohn’s disease,CD)和溃烂性结肠炎(Ulcerative colitis,UC)两种主要形式。通过PPI网络分析,白介素6(Interleukin-6,IL-6)、TNFα和白介素1β(Interleukin-1β,IL-1β)被确定为CD/UC治疗的靶蛋白,而能够同时抑制IL-6、TNFα和IL-1β的多靶点小分子具有缓解及控制CD/UC的潜力。TCM@Taiwan中药数据库中的小分子M11305(3,7-dihydroxy-5-(2-hydroxyethoxy)-2-(4-hydroxyphenyl)-4H-chromen-4-one)是最适用于治疗CD/UC的多靶点小分子。M11305与IL-6、TNFα以及IL-1β的分子对接模型均展示出的良好的相互作用,且被我们构建的基于CNN的TNFα抑制剂二分类模型评估为TNFα抑制剂,表明M11305具有同时抑制IL-6、TNFα和IL-1β多靶点的潜力。(2)从理论层面上研究了M11305与IL-6、TNFα以及IL-1β的结合模式及相互作用机制,结果表明:(1)动力学特征分析表明:在100 ns的模拟时间尺度下,IL-6-M11305、TNFα-M11305以及IL-1β-M11305复合物结构稳定,M11305的结合对IL-6、TNFα以及IL-1β的动力学特征(结构波动、结构灵活性、结构松散度、总运动强度)产生了不同程度的影响。(2)自由能形貌图分析表明:M11305与IL-6中的PHE74产生稳定的氢键相互作用,与PHE74、ARG179产生稳定的疏水相互作用,这些相互作用能够在一定程度上阻断IL-6~IL-6Rα复合物的形成;M11305影响了TNFα中三个亚基的聚合,具有成为TNFα变构抑制剂的潜力;M11305与IL-1β中的PRO131产生稳定的疏水相互作用,从而能够在一定程度上阻碍IL-1β~IL-1R复合物形成。(3)基于残基的结合自由能分解表明:IL-6中的LYS66、MET67、PHE74、LYS171、GLN175、ARG179、ALA180、ARG182和GLN183残基在M11305与IL-6结合过程中发挥关键作用;TNFα中各亚基的LEU133-GLN137、TYR195-VAL199、ILE231和LEU233残基在M11305与TNFα结合过程中发挥关键作用;IL-1β中的MET20、LEU26、LEU69、THR79-LEU82、PRO131和PHE133残基在M11305与IL-1β结合过程中发挥关键作用。