癌症的治疗是21世纪的重大挑战。针对癌细胞的特征进行抗肿瘤治疗,能高效率地消灭癌细胞,同时减轻毒副作用。不受控的细胞增殖是癌症的基本特征之一,细胞周期蛋白依赖性激酶（CDKs）是细胞周期关键调控枢纽,因此成为有吸引力的抗肿瘤靶点。线粒体是细胞的能量工厂,也是细胞死亡的调控中心,根据肿瘤细胞与良性细胞线粒体之间的差异,可以选择性杀死肿瘤细胞。本工作以CDKs和线粒体为研究对象,设计了系列抗肿瘤化合物,评估了它们的生理活性,研究了它们的作用机制;在药物设计和机理阐释过程中,我们通过分子模拟方法,研究了靶点的动态结构特征,及药物-靶点之间的作用模式,将模拟结果与实验手段相结合,拓展了分子模拟方法在药物设计领域的应用。本文的主要研究内容分为以下五个方面:第一章:详细介绍了癌症的基本特征,综述了靶向CDKs和线粒体两种抗肿瘤策略的理论基础,系统性介绍了靶向CDKs和线粒体的抗肿瘤药物的研究进展。介绍了分子模拟技术的基本原理及在药物设计领域的应用。第二章:研究了CDK6-Vcyclin复合酶的动态结构变化特征和二维自由能面,发现CDK6-Vcyclin复合酶存在张开和闭合两种状态,A-loop上Thr177磷酸化会显著降低CDK6-Vcyclin构象变化的能垒,可能是其磷酸化活化的机理。在此基础上讨论了十种抑制剂与CDK6的结合模式,发现特异性CDK6抑制剂倾向于与闭合状态结合,而非特异性抑制剂倾向于与张开态结合,同时计算得到的结合自由能与实验测定的抑制常数有良好的对应关系。第三章:从包含97,400个分子的Maybridge化合物库筛选了潜在的CDK1抑制剂,在筛选过程中充分考虑了CDK1结合口袋多个状态下的结构,并采用分子动力学方法,对结合模式进行验证,最终锁定了18个候选抑制剂。通过酶活性抑制测试,细胞周期测试,细胞增殖测试对候选化合物的生物活性进行评估。第四章:对筛选得到的CDK1抑制剂CS1-2进行深入的研究,考察了CS1-2对CDK1的选择性,对细胞周期的阻滞,增殖抑制,以及作用机制。发现CS1-2引起分裂期阻滞导致内复制的发生,因而产生多倍体细胞,最终发生细胞凋亡。将CS1-2与DNA损伤试剂联合使用,表现出协同效果。第五章:本章通过改变F16分子吡啶和吲哚环的连接取向,获得了两种F16异构体（邻位o-F16,间位m-F16）,发现o-F16表现出与F16类似的强解偶联活性,而m-F16活性较差。发现解偶联活性差异来源于质子解离能的差异,而非跨膜能垒的差异。利用F16分子的靶向性,可以将荧光分子BODIPY带入线粒体中,同时实现抗肿瘤和成像的双功能。