生物分析化学、化学生物学等交叉领域的基础研究和应用研究，离不开多种分析手段和工具的联合应用。研究生物分子之间的相互作用及药物的分子作用机理，离不开通路分析与分子模拟。药物是通过什么信号通路起作用的？激活靶标后会产生哪些生物学效应？什么样的分子结构与靶标有更好的亲和性？这些研究问题对于筛选和发现具有临床应用前景的先导化合物以及研究作用机制都是十分关键的。那么我们可以采用哪些工具来回答这样的问题呢？
IPA（Ingenuity Pathway Analysis）拥有专家整理的知识库，可实现基因表达、miRNA、SNP微阵列及代谢组学、蛋白质组学等的分析和生物学解释，被广泛用于通路富集分析、调控网络分析、诊断标志物发现和药物筛选，可为疾病发生发展机制和药物作用机制研究提供方向指导。
DS（Discovery Studio）是基于Windows/Linux系统，面向生命科学领域的新一代分子模拟软件/计算机辅助药物设计软件。服务于生命科学领域的实验生物学家、药物化学家、结构生物学家、计算生物学家和计算化学家，主要应用于蛋白质结构功能研究、药物发现、酶工程、食品学、环境毒理研究等研究领域。通过高质量的图形界面、经多年验证的科学算法以及集成的环境，为科学家提供易用计算模拟工具，助力生命科学领域研究，降低研发成本，缩短研发周期，提高研发效率，解释实验现象。
图1：使用IPA和DS进行药物研发的思路
通过广泛挖掘公共数据和生物信息数据库，研究人员可以找到药理学问题的答案，通过通路分析和分子模拟的方法，可以节省大量的实验时间和成本。
案例一：DS发现靶向IGF-1R天然抑制剂，IPA解析通路变化
酪氨酸激酶抑制剂和抗IGF-1R抗体对尤因肉瘤具有良好的治疗潜力。研究人员通过DS筛选出新型且有前景的IGF-1R靶向药物，用于治疗尤因肉瘤。
首先从PDB数据库中下载编号为3O23的IGF-1R晶体结构作为受体蛋白结构，使用ZINC数据库中具有17931个天然产物作为小分子数据库。然后通过DS中Libdock进行基于分子对接的虚拟筛选、ADMET性质预测、CDOCKER分子对接预测结合模式、分子动力学模拟和最终的实验验证，得到两个候选分子，能够减少尤因肉瘤细胞的增殖和迁移以及抑制IGF-1R蛋白在尤因肉瘤细胞内的表达。
那么，如何进一步确定药物是如何作用于生物体呢？在另一项研究中，研究人员通过IPA研究了合并用药后通路的显著变化，发现联合方案（二甲双胍和伊马替尼）处理的TC71细胞中，细胞周期调控主导了前十个富集的通路。
图2：IPA分析揭示用药后通路的显著变化
案例二：使用IPA构建靶标网络，DS进行分子模拟
为了深入了解益心宁神片的活性成分和相关潜在靶蛋白，研究人员通过数据库查询、系统生物学分析等形成了一套生信管线，并探讨了益心宁神片治疗抑郁症的作用机制。
具体而言，采用文本挖掘和数据库查询的方法，从益心宁神片中鉴定出活性化合物62种，及其286种潜在靶蛋白。研究人员将差异基因、差异蛋白和差异代谢物数据上传至IPA软件，进行核心分析来整合系统生物学结果，获得了差异基因-差异蛋白质相互作用和差异蛋白质-差异代谢物相互作用，将目标蛋白质的数量从286个减少到133个。
图3：差异基因-差异蛋白质相互作用和差异蛋白质-差异代谢物相互作用
随后，基于参考文献进一步缩小目标蛋白范围，通过PDB数据库下载或DS同源模建功能构建目标蛋白3D结构，使用DS中CDOCKER功能进行活性分子的分子对接研究，最终确认出MAPT、CHRM1、DRD1是益心宁神片治疗抑郁症的主要作用靶标。
图4：分子对接结果
案例三：使用IPA探究PDS治疗后蛋白上调的原因，通过DS开发PDS类似物，增强治疗效果
吡哆醇抑制素（PDS）是一种G-四链体（G4）诱导剂和稳定剂，为了鉴定其靶基因，研究人员应用MS蛋白质组学分析，通过IPA分子活性预测功能找出导致PDS治疗期间细胞周期相关蛋白的上调的原因。这些发现为合理设计新型多靶点铂类抗癌药物提供了策略，可对抗顺铂耐药性。
研究人员使用IPA进行了分子活性预测（MAP）模拟，发现所有FC<1.0的PDS下调蛋白都导致三种转录因子的激活：FOXO1、MITF和TP63，随后这些转录因子上调下游蛋白，包括ANLA、KIF11、CCNA2和RRM2（如下图），以及FOXM1和KIAA0101（与四种细胞周期相关蛋白共同表达）。
图5：关键转录因子与下游蛋白的关系
鉴于吡哆醇抑制素（PDS）的抗肿瘤活性，利用DS中基于配体的分子模拟手段可以快速开发出PDS类似物，进行抗肿瘤活性研究，包括骨架跃迁、片段生长以及侧链枚举等方法。
图6：PDS化学结构
IPA拥有专家整理的知识库，被广泛用于通路富集分析、调控网络分析、诊断标志物发现和药物筛选，可为疾病发生发展机制和药物作用机制研究提供方向指导，构建出疾病与靶标之间的联系。在此基础上，利用分子模拟计算软件DS可以进行基于靶标的药物发现，包括结构全新的先导化合物发现与优化，已知药物类似物的开发等等。利用DS开发的针对某一靶标的药物，也可以通过IPA进行通路分析，确定靶标的适应症。
[参考文献]
1. Wang, Xinyu, et al. "Effective natural inhibitors targeting IGF-1R by computational study." Aging (Albany NY) 14.11 (2022): 4874.
2. Nan, Xiang, et al. "Imatinib revives the therapeutic potential of metformin on ewing sarcoma by attenuating tumor hypoxic response and inhibiting convergent signaling pathways." Cancer letters 469 (2020): 195-206.
3. Wu, Ruoming, et al. "Rapid action of mechanism investigation of Yixin Ningshen tablet in treating depression by combinatorial use of systems biology and bioinformatics tools." Journal of ethnopharmacology 257 (2020): 112827.
4. Hou, Yinzhu, et al. "G-quadruplex inducer/stabilizer pyridostatin targets SUB1 to promote cytotoxicity of a transplatinum complex." Nucleic acids research 50.6 (2022): 3070-3082.
