计算机模拟技术在SARS-CoV-2病毒分子机制研究中的应用

由新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引发的严重急性呼吸系统综合症到目前为止仍然是影响人类健康的重要问题,病毒突变体的不断出现给药物治疗以及疫苗设计带来了严重的挑战。因此,对于新冠病毒生命周期的分子机制及其突变逃逸机制的研究十分重要。包括分子动力学模拟在内的计算机模拟方法在病毒机制研究方面得到了广泛的应用,故对近年来模拟技术在SARS-CoV-2病毒研究方面的发展状况进行调查,特别探究了分子动力学模拟在刺突蛋白(S蛋白)及其突变体和ACE2以及中和抗体的结合中的应用。

基于图像插值的小样本手写数字识别研究

人工智能方法的高性能通常需要有充足的数据来训练模型参数。如何在数据量不足的情况下提升模型的性能,即小样本学习,是人工智能领域的重要研究方向之一。本文提出了基于图像插值的小样本学习策略,并在手写数字图像识别任务中验证了该策略的可行性。系统研究了全连接神经网络和卷积神经网络对MNIST和USPS手写数字图像识别的小样本学习性能。计算结果表明,基于图像插值的数据增强方法可以显著提升神经网络在小样本数据中的特征提取能力和学习效率,且选择合适的图像插值缩放系数可以进一步优化神经网络的小样本学习性能。

纳豆激酶体外溶栓作用研究

目的:以初凝的小鼠血块为样本模拟小鼠血栓,研究纳豆激酶不同浓度对小鼠的溶栓作用,从而得到溶栓效果好且不溶血的最佳纳豆激酶浓度。方法:采用天然界筛选的菌种发酵提取的2个批次的纳豆激酶NK-1、NK-2,分别稀释至1 000、500、250、125、62.5、31.25和15.63U/mL溶解小鼠体外血凝块,以尿激酶为对照,观测计算0～7h内血栓溶解率,并用显微镜及试管观察0～18h内溶栓与溶血效果。结果:500、1 000U/mL纳豆激酶在7h内能完全溶解0.12g左右的小鼠体外血凝块,125、250、500、1000U/mL的纳豆激酶溶解血凝块作用依次增强,表现出一定的剂量效应,尤其是发现125～250U/mL纳豆激酶体外溶栓效果较好,且溶血作用不明显,且500～1000U/mL纳豆激酶可能存在溶血作用。结论:该研究结果可为纳豆激酶新型药物的开发提供理论依据,而且具有一定的产业化参考意义。

HIV-1衣壳蛋白抑制剂体外筛选方法研究进展

HIV-1的感染高度依赖其圆锥形的"富勒烯"型衣壳。衣壳由大约1 500个衣壳蛋白组装而成。近年来,衣壳蛋白已成为设计和筛选抗HIV-1药物的理想靶点。目前,文献已报道了多种基于不同原理的HIV-1衣壳蛋白抑制剂的筛选方法,该文将对这些体外筛选方法进行综述。

神经网络的深度与宽度对药物分子pKa预测性能影响的研究

pKa(解离常数)关系到药物分子在生物体内的吸收、代谢等过程。近年来,基于机器学习模型预测药物分子性质在药物筛选中获得广泛应用,神经网络可通过在深度与宽度两个方向上的扩展来增强模型的学习能力。以神经网络在药物分子pKa预测中的应用为例,比较了神经网络的深度与宽度对预测结果的影响。通过分析预测结果的均方差以及预测值与真实值之间的相关系数,系统地评估了模型的深度与宽度对预测性能的影响。基于定量的比较结果,提出了组合的神经网络模型计算方案。计算结果表明:深度神经网络模型在使用组合MACCS和ECFP指纹时,预测准确性超过了单一的宽度或深度神经网络。

基于EfficientNetV2和ASPP的脊柱MRI图像分割

脊柱是人体比较重要的器官。针对MRI数据对骨骼识别困难等缺点,提出一种基于简化的EfficientNetV2和ASPP的脊柱MRI图像分割方法。在特定的数据集上训练并进行测试,得到了DSC评价指标为84.61%和IoU评价指标为82.56%的医学图像分割模型。实验数据表明,该方法可以提高MRI图像脊柱分割精度。

序列组装在蛋白质测序技术中的方法

从头测序技术是应用于蛋白质组学的测序方法。与其他测序技术相比,从头测序技术的优势是在不依赖数据库搜索和无需PCR扩增的基础上对DNA或者蛋白质进行测序。目前,从头测序技术也广泛应用于蛋白质组学领域。研究人员为了将测序技术所得的短序列reads进一步组装成一条完整的序列,就需要使用序列组装方法。首先,介绍了测序技术的发展背景、从头测序技术的概念以及序列组装算法的出现;其次,总结了基于Overlap⁃Layout⁃Consensus策略、deBruijn图策略和Greedy策略的序列组装算法的具体概念和成果;最后,阐述了序列组装算法面临的挑战。

环索奈德通过靶向HIV-1衣壳蛋白六聚体调节其体外装配

多肽CAI在HIV-1衣壳蛋白(CA)C末端的结合口袋可用来筛选CA蛋白装配调节剂。采用均相时间分辨荧光技术(HTRF)筛选399个化合物,发现1个小分子化合物环索奈德(ciclesonide)能够竞争性抑制十二肽CAI与CA蛋白C末端的结合,其半数抑制浓度IC_(50)值为6.06μmol/L。生物膜干涉技术(BLI)测量环索奈德与CA蛋白(单体和六聚体)的结合,环索奈德与CA六聚体的亲和力为159 nmol/L,远远大于其与CA单体的亲和力(K_(D)=1.68 mmol/L)。衣壳蛋白体外装配实验表明,环索奈德能促进CA蛋白的装配,且具有浓度依赖性。分子模拟分析环索奈德与CA蛋白的结合模式,显示环索奈德与CA六聚体的相互作用发生在六聚体相邻亚基N末端-C末端的界面上,并与H67和L211两个残基形成氢键。研究表明,环索奈德是一种潜在的HIV-1衣壳装配调节剂。

采用分子模拟方法探究MIF与二芳基三唑类抑制剂的结合机理

采用一整套分子模拟方法,从原子水平探究了MIF与二芳基三唑类抑制剂的微观结合模式及结构决定性因素。基于能量计算和结合机理的分析发现:高活性二芳基三唑类抑制剂的设计需要与N_(325)形成较强的氢键相互作用,与非极性氨基酸I_(64)形成较强的疏水相互作用,与Y_(36)、F_(113)、Y_(323)形成π-π相互作用。

采用分子模拟方法探究巨噬细胞移动抑制因子与异噁唑类抑制剂的结合模式及相互作用

目的采用分子模拟方法探究巨噬细胞移动抑制因子(Macrophage migration inhibitory factor, MIF)与异噁唑类抑制剂的结合模式及相互作用,设计出更强抗炎活性的MIF抑制剂。方法基于MIF与典型的异噁唑类抑制剂ISO-1及其类似物ISO-66的晶体结构1LJT、4K9G,采用Glide半柔性分子对接方法中3种不同精度的打分函数(HTVS、SP、XP),将已知的ISO-1系列抑制剂分别对接到MIF结合口袋中。通过比较对接打分与实验活性的线性相关性,获得最优的晶体结构和打分模式;接着分析MIF重要氨基酸残基与ISO-1类似物侧链基团的相互作用及结构决定性因素。在此基础上,设计了6个新颖的MIF抑制剂分子,并对它们进行分子对接打分及成药性预测。结果根据对接打分发现,4K9G-HTVS模式可以获得最佳的受体-配体结合亲和力排序,通过在R侧链引入较大的非极性基团可以与Pro33、Ile64、Trp108、Phe113等形成较强的疏水相互作用。理论预测结果显示,设计的6个新颖结构的ISO-1类似物,具有较强的MIF抑制活性和较好的成药性。结论本文计算结果为深入了解MIF与配体的结合机理,理性设计具有更强抗炎活性和成药性的ISO-1衍生物提供了理论基础。

HTLV-1蛋白酶与印地那韦识别的分子动力学模拟

对HTLV-1蛋白酶和抑制剂印地那韦的复合物进行了11 ns的分子动力学模拟,从分子整体、氢键、结合自由能及运动性等方面进行了分析。结果表明,动力学模拟使得体系更为松弛,但大部分氢键仍得到保持;疏水相互作用有利于HTLV-1蛋白酶和印地那韦的结合,关键残基主要分布在R10、L30-V39、V56-F67和W98-I1004个区域;结合自由能预测值与试验数据吻合较好。印地那韦结合仅能部分抑制HTLV-1蛋白酶的Flap、top-site以及两个exo-site位点柔性,解释了印地那韦的HIV-1 PR抑制活性为何略大于HTLV-1 PR。该研究为基于受体结构的抗HTLV-1药物研发打下了一定的结构和理论基础。

以HIV-1 IN-LEDGF/p75相互作用为靶点的抑制剂筛选

目的晶状体上皮源性生长因子p^(75)蛋白(LEDGF/p75)与HIV-1整合酶(IN)之间的蛋白-蛋白相互作用是开发抗HIV-1药物的有效靶点,本文旨在寻找以HIV-1IN-LEDGF/p75相互作用为靶点的小分子抑制剂。方法采用均相时间分辨荧光技术(HTRF)筛选了799个化合物,比对IN-LEDGF/p75相互作用的抑制活性。结果发现5个化合物——肾上腺酮、6-溴-1,2-二氢萘-1,2-二酮、头孢噻吩、根皮含柘树呫吨酮L和迷迭香酸对该相互作用表现出不同程度的抑制作用,其IC50值分别为12.3、22.7、26.2、18.5和1.13μmol/L。结论为HIV-1IN-LEDGF/p75相互作用抑制剂的发现以及新的抗HIV-1药物的开发提供了重要基础。

基于新型冠状病毒SARS-CoV-2主蛋白酶结构的小分子抑制剂虚拟筛选

通过使用分子对接与虚拟筛选技术,以SARS-CoV-2主蛋白酶(Main Protease,Mpro)为靶点,利用Autodock Vina软件和Python脚本进行分子对接,结合小分子的对接评分与结合模式分析,筛选出特异性作用于主蛋白酶的小分子抑制剂。结果发现,以SARS-CoV-2主蛋白酶原配体N3为对照,Reactive blue 2等分子具有更好的对接打分与合理的结合模式,或可成为潜在的主蛋白酶小分子抑制剂,可为寻找抗新冠病毒治疗药物提供线索。

基于体外药效学结合分子对接技术研究穿山龙抗心肌缺血的作用机制

目的 通过液质联用技术、体外药效学及分子对接技术探究穿山龙抗心肌缺血的物质基础和作用机制。方法 利用UPLC-Q TOF-MS技术确定穿山龙醇提物中的主要成分,比较不同质量浓度(40、10、4、0.4、0.004 mg/mL)的穿山龙醇提物对H9c2心肌细胞缺氧/复氧(H/R)损伤后细胞活力的影响。应用AutoDock软件对潜在药效物质和关键靶点进行分子对接,相关结果采用Cytoscape 3.6.1进行构图和网络拓扑结构分析。结果 从穿山龙的醇提物中鉴定出7个化学成分,并证明穿山龙醇提物对H/R损伤H9c2心肌细胞具有一定的保护作用。筛选出5种(薯蓣皂苷元、薯蓣皂苷、对羟基苄基酒石酸、原薯蓣皂苷、薯蓣次皂苷A)与抗心肌缺血相关的活性成分,5种活性成分的分子对接结果显示潜在的药效物质与关键靶点内皮一氧化氮合酶(NOS)2、NOS3、环氧化酶/细胞色素C氧化酶多肽Ⅱ(COX2)、热休克蛋白(HSP70)对接结果能量低于-8 kcal/mol。结论 穿山龙中的甾体皂苷类成分可能是其治疗心肌缺血的物质基础,穿山龙治疗心肌缺血是多成分与多靶点相互作用的结果。

面向非专业学生开设“人工智能导论”通选课的教学实践与反思

为配合建设全国知名的高水平职业技术大学的发展导向,以及培养新世纪应用型人才的需求,各高校开始试点面向非计算机专业开设“人工智能导论”公共选修课。根据非专业学生的基础参差不齐、专业背景复杂的特点,借助人工智能的应用案例有针对性地对重点难点内容进行讲授。结合教学实践,对该课程设置的必要性和教学内容进行探索,并对教学过程中的教学策略和考核方式进行总结与反思。本文所总结的教学经验与思考对将来交叉学科的教学情况具有一定的借鉴意义。

基于Transformer网络的抗癌肽的预测

癌症是造成人类死亡的一个重要原因。抗癌肽(ACPs)是一系列由10~60个氨基酸组成的短肽,可以抑制肿瘤细胞的增殖或迁移,不易引起耐药性。将肽序列作为输入,搭建基于Transformer网络的抗癌肽模型并预测,模型自动将序列信息通过字符嵌入的方法映射为特征向量,实现了使用Transformer网络模型来自动识别抗癌肽和非抗癌肽。五倍交叉验证实验结果表明,该模型在数据集ACP240和ACP740上的准确率分别达到87.92%和83.75%。该模型能够有效地预测抗癌肽。

人转运蛋白SR2的原核表达及其与HIV-1整合酶体外相互作用的检测

人转运蛋白SR2(TRN-SR2)与HIV-1整合酶(IN)相互作用是抗HIV治疗的有效靶点,寻找和设计该靶点的高效抑制剂具有重要的临床意义和广阔的应用前景。因此为了开展以TRN-SR2与HIV-1IN相互作用为靶点的抑制剂筛选研究,以pGEX-2T为载体的重组质粒pGST-TRN-SR2在大肠杆菌Rosetta(DE3)中进行原核表达,并利用亲和层析纯化得到浓度为0.80mg/mL的重组TRN-SR2蛋白;然后采用生物膜干涉技术(BLI)进行体外检测重组TRN-SR2蛋白与HIV-1IN的相互作用和结合情况。结果表明,重组TRN-SR2蛋白与HIV-1IN相互结合信号明显升高,且测得平衡解离常数KD值为45.2nmol/L。最后利用均相时间分辨荧光技术(HTRF)和交叉滴定实验确定了TRN-SR2与HIV-1IN在该靶点抑制剂筛选实验体系中的最适反应浓度分别为20和40nmol/L。以上研究结果说明原核表达的重组TRN-SR2蛋白的活性较好且与HIV-1IN体外相互作用明显,同时在筛选实验体系中TRN-SR2与HIV-1IN最适浓度的确定也为后续抑制剂的筛选提供了相应的研究基础。

分子对接与分子动力学模拟法探究PI3Kδ/度维利塞(Duvelisib)的选择性结合

大量研究表明磷脂酰肌醇3-激酶δ(PI3Kδ)与多种恶性肿瘤及免疫疾病的发生、发展密切相关,因此成为一个备受关注的药物靶点。伊德利塞(Idelalisib),PI3Kδ抑制剂,是首个被FDA批准上市的PI3K抑制剂,以此开启了PI3Kδ选择性抑制剂开发的热潮,但是严重的毒副作用阻碍了该类化合物的使用。随后,度维利塞(Duvelisib,IPI-145)于2018年被批准上市,度维利塞是PI3Kδ/γ选择性抑制剂,然而目前关于度维利塞的选择性PI3K抑制分子机制报道较少,且目前尚无度维利塞/PI3K复合物晶体结构报道。因此本文采用整合的计算机模拟策略来揭示度维利塞的选择性抑制机制:通过分子对接获得度维利塞与PI3K各亚型的合理结合构象;分子动力学模拟结合自由能计算揭示选择性产生的关键位点及热点氨基酸。目前,因与其他亚型之间高度的同源性与结构保守性,使得PI3Kδ选择性抑制剂开发受到极大挑战,本文以上市药物度维利塞为研究主体,有望为新型PI3Kδ选择性抑制剂的开发及合理药物设计提供一定的指导意义。

组蛋白甲基转移酶在骨肉瘤中的研究进展

组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferases,HMTs)主要由一类能催化组蛋白赖氨酸(也可发生于精氨酸、组氨酸、天冬酰胺)甲基化的蛋白质组成,小部分底物也可以为非组蛋白。组蛋白的甲基化修饰参与染色质的多种调控功能,包括基因转录调控、基因组稳定性维持、干细胞成熟分化、DNA修复、炎症免疫调节等多种生理过程。目前已发现多种HMTs在骨肉瘤(osteosarcoma,OS)中的异常表达与患者病程及预后密切相关。针对这些HMTs在骨肉瘤细胞中的作用机制,已有部分高选择性的小分子抑制剂被研制出来,以期未来应用于临床诊断、预后评估及靶向生物治疗。该文就近年来在骨肉瘤领域的组蛋白甲基转移酶及相关抑制剂的研究现状作一综述。

蛋白质精氨酸甲基转移酶抑制剂的研究进展

蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMTs)主要负责催化蛋白质底物中精氨酸残基的甲基化,涉及转录、RNA剪接、DNA修复等多种重要的细胞过程。PRMTs的异常表达与肿瘤、乳腺癌和白血病等疾病的发生密切相关,因此PRMTs抑制剂的研究已成为药物研发中的热门内容。本文从作用机理、药理活性等方面阐述了主要PRMTs抑制剂的研究进展。