基于生物信息学方法研究流感病毒及疗法

摘要

近一个世纪以来，流感病毒多次造成全球性的疫情，给人类带来的生命、财产损失难以计数。特别是近年来，“猪流感”、“禽流感”的出现，引起了世界范围内的恐慌情绪。然而在对于这种病毒的防御方面，人类能够使用的有效武器却很少，疫苗无法有效应对所有未来可能流行的病毒亚型，现有的批准药物如达菲、金刚烷胺、扎那米韦等疗效有限。因此，寻找有效的药物、寻找可靠的抗体、预测未来病毒的变异趋势是亟待解决的问题。本文试图从如下几个方面进行一些探索。
　　首先，我们考虑的是应急药物的问题。正如上面提到的，当前经过批准的流感病毒药物种类少药效不佳，而新研制药物周期太长，无法尽快应对可能到来的流感疫情。因此我们希望能从已知药物出发，构建药物混合物应对不时之需。为此我们使用9种药物组成了药物面板，使用6种流感病毒的蛋白质组成了靶蛋白面板并由此得到6个口袋组成的基准口袋面板;为了对药物有效性进行判定，我们提出了5种可计算特征，并由此形成4个决策判定条件;为了对基准口袋找到合适的药物混合物，我们提出了寻找药物混合物的通用算法，并将其应用于H5N1亚型流感病毒神经氨酸酶NA中基准口袋的药物发现，最终提出使用阿奇霉素和阿司匹林混合物作为候选药物混合物。此外，我们还将算法进行了改进，使其大部分过程能够自动化完成。
　　其次，我们考虑了增强抗体的问题。抗体的增强可以分为两方面，一方面是增强抗体对靶蛋白的疗效，减轻或消除抗药性，另一方面是将抗体的应用面扩展，将一般抗体改进为广谱抗体，将广谱抗体改进为通用抗体。为此我们确定了达菲或扎那米韦增强CR6261对第一组流感病毒疗效的分子作用机制，并使用这种机制将抗体增强的两方面内容统一起来。根据这种机制，我们认为达菲或扎那米韦可以增强F10和FI6对第一组流感病毒的疗效，也可以增强CR8020或FI6对第二组流感病毒的疗效，当抗体足迹部分位点发生变异，与血凝素HA之间结合能降低时，它们提供的额外结合能足以补偿这种损失，从而避免抗药性。我们发现CR8020抗体在H1亚型血凝素HA上的绑定足迹位于茎部，但是两者之间结合能偏低，因此我们可以使用达菲增强这种结合能，使得CR8020抗体与H1亚型血凝素HA牢固绑定，从而可以将CR8020提升为全局抗体;我们还发现CR6261和F10与H3亚型血凝素HA的绑定位点位于头部，因此候选药物需要更加苛刻的条件。经过分析我们使用阿奇霉素将CR6261提升为全局抗体，使用阿奇霉素和达菲将F10提升为全局抗体。
　　最后我们试图找到一些流感病毒变化的规律，我们希望找到某些流感病毒血凝素HA之间重组的证据作为初步的探索。为此我们提出了概率和相似区域两种方法，基于36条代表性HA序列的HA1部分，找到了H13、H14、H16亚型血凝素HA可能的重组证据。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第一节 背景介绍

1．1．1 流感病毒简介

1．1．2 流感病毒的抗体和药物

第二节 主要研究内容

1．3．1 药物有效性分析及寻找药物混合物的通用算法

1．3．2 CR6261与阿奇霉素复合物的分子作用机制的计算性分析

1．3．3 重组与发现方法

第三节 所使用的工具

第二章 寻找有效药物混合物的通用方法

第一节 评估药物有效性的可计算特征

2．1．1 靶蛋白面板

2．1．2 药物面板

2．1．3 基准口袋面板

2．1．4 可计算特征挖掘

第二节 寻找药物混合物的通用算法

2．2．1 算法的基本内容

2．2．2 算法的应用

2．2．3 算法的改进

第三章 药物-抗体复合分子作用机制的计算分析

第一节 数据集及相关信息

3．1．1 数据集

3．1．2 重建树状图

3．1．3 重新分析保守位点

第二节 确定分子作用机制

3．2．1 药物面板与基准口袋研究

3．2．2 绑定位置的邻域

3．2．3 基准口袋大小带来的影响

3．2．4 单克隆抗体疗效增强的分子机制

第三节 药物-抗体混合物的抗药耐受性

3．3．1 血凝素与抗体间的结合能范围估计

3．3．2 血凝素变化导致的结合能最大可能损失

3．3．3 达菲高宽容度绑定位点的足迹

第四节 提升广谱抗体为通用抗体的分子机制

3．4．1 确认抗体与靶蛋白可对接

3．4．2 确认药物的绑定位置

3．4．3 达菲可提升CR8020为通用抗体

3．4．4 阿奇霉素可提升CR6261为通用抗体

3．4．5 如何将F10提升为通用抗体

第四章 重组发现方法

第一节 数据准备与进化树重建

4．1．1 数据准备

4．1．2 进化树重建

第二节 重组发现

4．2．1 基于概率的重组发现

4．2．2 基于相似区域的重组发现

第五章 结论

附录

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果