药物生物信息学 配体结构相似策略
药物功能模式相似度及其聚类

药物功能模式相似度及其聚类王志刚;陈鑫;谢丽芳;杨啸林;张正国【期刊名称】《中国生物医学工程学报》【年(卷),期】2011(030)006【摘要】对现有已知药物的功能模式进行分析,可以帮助发现其可能的新应用,指导联合用药或预测药物的未知毒副作用.提出将药物化学结构信息和GO注释信息结合,分析药物功能模式相似度.药物化学结构和GO注释信息下载自DrugBank数据库,其中GO注释信息包括生物过程、分子功能和细胞定位等3个分支.计算现有4886种药物的功能模式相似度,并对其进行聚类分析.基于Tanimoto系数计算药物化学结构相似度,基于语义分析计算药物GO注释中3个分支的相似度.分别使用Logistic回归、算术均值、几何均值将上述4个药物相似度结合,得到反映多方信息的复合相似度.将一种药物与所有其他药物的相似度向量作为该药物的特征谱,对药物进行层次聚类.使用药物解剖学、治疗学及化学分类( ATC)的标准评价不同的相似度和聚类结果.结果显示:药物化学结构相似度与基于GO的3个分支的相似度均线性相关,表明药物的结构信息能在一定程度上反映功能信息;Logistic回归复合相似度能够很好地反映两个药物是否属于同一个ATC分类;基于GO注释生物过程分支语义相似度和几何均数复合相似度聚类结果与ATC分类第一层次强关联.所提出的方法结果可靠,可望用于辅助药物发现和预测不良反应.【总页数】6页(P807-812)【作者】王志刚;陈鑫;谢丽芳;杨啸林;张正国【作者单位】中国医学科学院基础医学研究所北京协和医学院基础学院,北京100005;中国医学科学院基础医学研究所北京协和医学院基础学院,北京100005;中国医学科学院信息中心,北京100009;中国医学科学院基础医学研究所北京协和医学院基础学院,北京100005;中国医学科学院基础医学研究所北京协和医学院基础学院,北京100005【正文语种】中文【中图分类】R318【相关文献】1.基于维度根距离相似度量方法对单值和区间中性的聚类算法进行聚类算法 [J], 叶炬锋2.用于Web文档聚类的基于相似度的软聚类算法 [J], 姜亚莉;关泽群3.基于局部序列比对相似度的用户会话聚类新方法 [J], 姚瑶;周铜4.融合统计和结构相似度的文档聚类 [J], 郑重5.基于相似度的蚁群聚类算法 [J], 沈兴鑫;杨余旺;肖高权;徐益民;陈响洲因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
生物信息学中的相似序列搜索算法研究

生物信息学中的相似序列搜索算法研究序言生物信息学在生物学中扮演着重要的角色,通过基因、蛋白质、氨基酸等大量数据分析,被广泛应用于许多领域,包括分子生物学、代谢组学以及人类病理学等。
为了更好地分析这些数据,生物信息学家们需要应对大规模的生物序列数据并提取有关其中信息的算法。
本文将着重讨论在生物信息学中常用的相似序列搜索算法。
一、概述相似序列搜索算法是一种在生物信息学中非常重要的工具,用于在大量的序列数据中寻找相似的序列。
例如,在基因组测序中,基因组往往很大,所以需要找到其中与已知基因或蛋白质相似的序列。
相似序列搜索算法在这种情况下能够快速找到匹配项。
二、BLAST算法BLAST(基本局部序列比对搜索工具)是生物信息学领域中最常用的相似序列搜索算法。
BLAST算法可以快速在序列数据库中查找与查询序列相匹配的序列。
BLAST算法实现了多种局部序列比对算法,如肋骨结构比对(ribosomal S1 RNA匹配比对),LD periodicity比对(Leucine-rich repeat蛋白质匹配比对)以及Gapped Local Alignment和Smith-Waterman比对等。
BLAST算法基于一种快速搜索比对算法,即块搜索算法,这种算法使用了某些方法来缩小与查询序列可能匹配的序列空间,这有助于算法的快速运行。
BLAST算法通过提高搜寻速度,提升了生物研究的效率。
三、HMMER算法HMMER(隐马尔科夫模型比对搜索工具)是另一种常见的相似序列搜索算法,主要用于清晰比对和隐式匹配。
HMMER算法使用隐马尔科夫模型来比对不同的序列,这种算法可以计算出不同序列之间的相对分数。
例如,HMMER算法可以用于比对蛋白质序列,然后提供这些蛋白质的相对结构的预测。
这些结构可以被用于判断物种之间的相关性,或者将蛋白质与不同的化合物进行比对。
四、Smith-Waterman算法Smith-Waterman算法是另一种常见的相似序列搜索算法。
生物信息学研究的基因组比对方法

生物信息学研究的基因组比对方法生物信息学是一门研究生物学数据的计算机科学领域,而基因组比对是生物信息学领域中的重要研究方向之一。
基因组比对是指将一个或多个生物个体的基因组序列与已知的参考基因组序列进行比较,以寻找相似性和差异性,从而揭示基因组的结构和功能。
在基因组比对中,基因组序列的相似性分析是非常关键的步骤,而基因组比对方法的选择和应用则决定了研究结果的可靠性和准确性。
基因组比对方法可以分为两大类:局部比对和全局比对。
局部比对主要用于寻找两个基因组序列之间的相似性区域,而全局比对则用于比较整个基因组序列。
局部比对方法常用于寻找基因组中的重复序列和插入序列,而全局比对方法则常用于比较两个不同物种的基因组序列。
在局部比对方法中,最常用的是Smith-Waterman算法。
该算法通过动态规划的方式,寻找两个序列之间的最佳比对。
它通过计算每个位置的得分,并选择得分最高的位置作为比对的起点。
然后,算法向前和向下移动,计算每个位置的得分,并选择得分最高的位置作为下一个比对位置。
通过不断迭代,直到找到最佳比对路径。
Smith-Waterman算法的优点是能够找到最佳比对,但由于计算复杂度较高,只能用于较短的序列比对。
除了Smith-Waterman算法外,还有一种常用的局部比对方法是BLAST算法。
BLAST算法是一种快速比对算法,它通过预处理和索引的方式,加速了比对过程。
BLAST算法首先将参考基因组序列进行预处理,生成索引,然后将待比对序列与索引进行比对。
BLAST算法通过比对序列的子序列与索引进行匹配,从而找到最佳比对。
由于BLAST算法的快速性和准确性,它被广泛应用于基因组比对和序列比对。
在全局比对方法中,最常用的是Needleman-Wunsch算法。
该算法也是通过动态规划的方式,寻找两个序列之间的最佳比对。
与Smith-Waterman算法不同的是,Needleman-Wunsch算法不仅考虑局部比对的得分,还考虑全局比对的得分。
薛定谔计算rmsd

薛定谔计算rmsd全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:薛定谔计算rmsd是分子模拟领域中一项重要的计算方法,用于评估分子结构之间的相似性。
在生物物理学和药物设计领域,科研人员常常需要比较不同分子的结构,并通过计算它们之间的根均方偏差(rmsd)来评估它们之间的相似度。
这有助于揭示蛋白质、小分子或其他生物分子的结构和功能特性,为药物研发和生物科学研究提供重要参考。
薛定谔计算rmsd的基本思想是根据分子结构的三维坐标,计算一个分子相对于另一个分子的位置偏差的平方和的平均数,并求其平方根。
rmsd的计算公式如下:rmsd = sqrt(1/N * Σ ||r_i - r'_i||^2)rmsd代表根均方偏差,N代表原子数,r_i和r'_i分别代表两个分子的第i个原子的坐标。
通常,薛定谔计算rmsd需要通过计算机程序进行实现,因为对于大型分子来说,手动计算是不切实际的。
在计算rmsd之前,首先要加载两个分子的三维结构信息,包括原子坐标和化学键。
薛定谔计算rmsd有不同的计算方法,常用的方法包括最小二乘法、Kabsch算法和四元数法。
这些方法在计算过程中考虑了旋转、平移等因素,提高了计算的准确性。
在生物分子模拟领域,薛定谔计算rmsd被广泛应用于蛋白质结构比对、蛋白质-配体相互作用研究、药物筛选等方面。
通过比较蛋白质不同构象之间的rmsd值,可以揭示其功能机制、结构稳定性等信息,为蛋白质结构与功能的研究提供了便利。
除了生物领域,薛定谔计算rmsd也在材料科学、化学工程等领域有着广泛的应用。
在材料的分子模拟研究中,科研人员可以通过计算不同构象之间的rmsd值,评估材料的稳定性、结构变化等信息,为新材料的设计和开发提供理论依据。
需要指出的是,薛定谔计算rmsd虽然是一种常用的方法,但在具体应用中也存在一些挑战和限制。
计算复杂度高,需要耗费大量的计算资源和时间;对于某些结构变化巨大的分子,rmsd的计算结果可能受到启动结构的影响;rmsd值只能反映两个分子结构之间的整体相似度,对于局部结构的比较并不敏感。
生物大数据技术中的药物作用机制预测方法介绍

生物大数据技术中的药物作用机制预测方法介绍随着技术的不断发展,生物大数据的规模日益庞大。
这些数据中包含了大量药物与生物分子之间的相互作用信息,如药物的靶点、作用机制等。
通过利用生物大数据技术,科学家们可以预测药物的作用机制,从而加速药物研发过程。
药物作用机制预测是一项具有挑战性的任务,因为药物与细胞内的众多分子之间的相互作用非常复杂。
然而,生物大数据技术为研究人员提供了处理和分析这些复杂数据的工具和方法。
首先,一种常见的药物作用机制预测方法是基于化学结构相似性。
这种方法基于药物化学结构与已知药物之间的相似性,通过计算化学指纹或进行分子对齐来确定药物的作用机制。
该方法在药物发现中得到广泛应用,可以快速筛选候选药物,并预测其可能的作用机制。
另一种常见的方法是基于药物和蛋白质的相互作用网络。
这种方法利用已知的药物-靶点相互作用网络以及已有的蛋白质相互作用网络来预测药物的作用机制。
通过分析网络中的拓扑结构和模块化特征,可以预测药物与目标蛋白之间的相互作用及其可能的作用机制。
此外,机器学习算法在药物作用机制预测中也起到了重要作用。
通过训练大规模的药物分子和靶标蛋白的数据集,机器学习算法可以识别出药物分子和靶标之间的模式和规律,并预测未知药物的作用机制。
这种方法不仅可以提高预测的准确性,还可以处理海量的生物大数据。
另外,基于系统生物学的方法也被广泛应用于药物作用机制预测中。
系统生物学研究综合考虑了整个生物系统,包括基因、转录因子、蛋白质和代谢物等,通过构建和分析生物系统的模型,可以预测药物对生物分子的作用机理。
虽然现有的药物作用机制预测方法在一定程度上能够预测药物的作用机制,但仍然存在一些挑战。
首先,生物系统的复杂性限制了预测的准确性。
其次,生物大数据的质量和完整性对预测结果也有很大影响。
此外,药物与生物分子之间的相互作用机制仍然存在很多未知或不完全被了解的领域,进一步深入研究仍需努力。
总之,生物大数据技术为药物作用机制预测提供了新的路径和方法。
基于结构相似性的病毒药物设计及其合成

基于结构相似性的病毒药物设计及其合成近年来,病毒感染对人类健康的威胁越来越大。
传统的药物设计方法大多是基于病毒生命周期的各个环节进行干扰,但是病毒具有变异性和适应性,使得这种方法难以开发出具有广谱活性和高效性的抗病毒药物。
与此同时,结构生物学的发展也为病毒药物设计提供了新思路。
基于结构相似性的药物设计是一种独特的方法,它可以从药物分子与目标病毒结构相似的角度出发,设计具有特异性和选择性的药物分子。
本文将阐述基于结构相似性的药物设计原理和合成方法,并探讨其在病毒药物开发中的应用前景。
一、基于结构相似性的药物设计原理基于结构相似性的药物设计是一种从目标蛋白结构出发,寻找与其结构相似的药物分子,进而设计出具有特异性和选择性的药物。
该方法基于分子识别的原理,将病原体和药物分子看成“锁”和“钥”的关系,通过寻找药物分子与目标病毒结构之间的相似性,设计出具有特异性和高效性的抗病毒药物。
为了实现结构相似性的药物设计,需要先确定目标蛋白的三维结构,并通过计算机分子模拟方法对其进行构象预测和动力学模拟。
然后,通过数据库和化学信息学方法,筛选出与目标结构相似的化合物库,并对其进行结构优化和药效预测。
最后,通过体外和体内实验,确定设计出的药物分子的生物活性和药效。
二、基于结构相似性的药物设计的合成方法基于结构相似性的药物设计是一种新的药物研发方法,需要有合适的化学技术来合成具有特异性和选择性的化合物。
化学合成方法需要考虑两个方面:一是合成路线的设计,二是反应条件和合成中间体的优化。
合成路线的设计需要考虑反应的可操作性、中间体的合成难度以及合成成本等因素。
常用的合成路线包括切合目标化合物结构的线性合成和通过中间体互相转换来合成目标化合物的合成路线。
反应条件和合成中间体的优化则需要考虑反应的收率和纯度,以及中间体的稳定性和可操作性等多个方面。
三、基于结构相似性的药物设计的应用前景基于结构相似性的药物设计是一种日益重要的方法,在病毒药物研发方面具有广泛的应用前景。
基于生物信息学的药物靶点预测与优化研究

基于生物信息学的药物靶点预测与优化研究近年来,随着生物信息学和计算生物学的快速发展,生物大数据的不断积累,利用生物信息学技术进行药物靶点预测与优化已成为一种重要而高效的研究手段。
本文将介绍基于生物信息学的药物靶点预测与优化研究的基本原理、方法及应用。
药物靶点预测是指利用生物信息学的方法,通过分析药物与蛋白质结合的相互作用,预测药物的靶点蛋白质。
药物靶点预测有助于揭示药物的作用机制、剖析疾病的发生机理,并为药物研发提供有力的指导。
基于生物信息学的药物靶点预测主要基于以下几种方法:基于序列相似性、基于结构相似性、基于网络分析和基于机器学习。
首先,基于序列相似性的方法是基于假设:序列相似的蛋白质往往具有相似的结构和功能。
通过比对药物相关蛋白质的序列与已知靶点蛋白质数据库中的序列进行比对,可以预测药物的可能靶点。
其中,常用的比对算法有BLAST和PSI-BLAST。
此外,还可以利用序列相似性构建蛋白质与蛋白质之间的相似性网络,通过网络拓扑结构分析,预测药物的靶点。
其次,基于结构相似性的方法是基于结构相似的蛋白质往往具有相似的功能。
通过构建蛋白质结构的三维模型,并与已知靶点蛋白质结构进行比对,可以预测药物的可能靶点。
常用的蛋白质结构预测软件有SWISS-MODEL和I-TASSER。
此外,还可以利用结构相似性进行蛋白质的功能注释,从而预测药物的靶点。
第三,基于网络分析的方法是基于蛋白质与蛋白质之间的相互作用网络,来预测药物的靶点。
通过构建蛋白质相互作用网络,使用复杂网络分析的方法,可以发现药物与蛋白质网络中的关键节点,从而预测药物的靶点。
常用的网络分析软件有STRING和Cytoscape。
最后,基于机器学习的方法是利用机器学习算法构建预测模型,通过学习药物分子和蛋白质之间的相互作用特征,并应用预测模型对未知的药物进行靶点预测。
常用的机器学习算法有支持向量机、随机森林和神经网络。
此外,还可以利用深度学习算法,比如卷积神经网络和循环神经网络,进行药物靶点预测。
基于多重相似性特征融合的药物-疾病关联预测

基于多重相似性特征融合的药物-疾病关联预测基于多重相似性特征融合的药物-疾病关联预测摘要:药物-疾病关联预测对于药物研发和治疗疾病具有重要意义。
然而,由于药物和疾病之间的复杂相互作用,预测药物-疾病关联仍然具有挑战性。
本文提出了一种基于多重相似性特征融合的药物-疾病关联预测方法,该方法通过综合考虑多种相似性特征,提高了预测的准确性和可信度。
1. 引言药物-疾病关联预测在药物研发和治疗疾病中起着重要角色。
传统的实验室方法费时费力且成本高昂,因此采用计算方法进行药物-疾病关联预测具有诱人的优势。
然而,由于药物和疾病之间的复杂相互作用,预测药物-疾病关联仍然具有挑战性。
2. 相关工作近年来,许多基于计算的方法被提出来预测药物-疾病关联。
这些方法可以分为两大类:基于相似性的方法和基于机器学习的方法。
基于相似性的方法通过计算药物和疾病之间的相似性来进行预测。
基于机器学习的方法则通过训练模型来预测药物-疾病关联。
3. 方法本文提出的方法基于多重相似性特征融合,首先构建药物-疾病网络,然后计算药物和疾病之间的多种相似性特征。
这些相似性特征可以包括生物学相似性、化学结构相似性、基因表达相似性等。
接着,采用多重相似性融合算法将这些相似性特征进行融合,得到综合的相似性特征。
4. 结果与讨论为了评估所提出方法的性能,我们选取了多个已知的药物-疾病关联,构建了一个测试集。
实验结果表明,所提出的方法在预测药物-疾病关联方面具有很高的准确性和可信度。
与传统的方法相比,所提出的方法能够更准确地预测药物-疾病关联,有助于加速药物研发和疾病治疗的进程。
5. 结论本文提出了一种基于多重相似性特征融合的药物-疾病关联预测方法。
该方法通过融合多种相似性特征,提高了预测的准确性和可信度。
未来的研究方向可以进一步完善相似性特征的选取和融合算法,以提高药物-疾病关联预测的效果。
此外,可以结合更多的数据源和信息来进行预测,以更全面、准确地预测药物-疾病关联。
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配体小分子结构信息
公共数据资源 DrugBank
~1000 FDA‐approved drugs;~3000 experimentaldrugs;~6000 drug‐targets relationships(DTRs);
2‐7 atom 2048 bit
MACCS Keys指纹
166 个分子碎片
3D ...
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相似性测度
similarity measures are most commonly calculated from structure fingerprints
度对l22,计于…算配,体Tcl集(2ln1}Li,,1=l使{2jl)1用1=,TTala1n2n,iimm…oott,oo
l1m}和L2={l21, score作为测 score( l1i,
l2j),
设定阈值Threshold,计算两个配体集间相 似性得分:
Raw Score(L1, L2 )
for chemical structures often called structure “fingerprints”
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配体小分子结构信息
Fingerprints
Daylight fingerprints
收集靶点的配体构成配体集 忽略配体数目小于5的靶点
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Similarity Ensemble Approach
SEA的计算步骤2:计算配体集间相似性
Daylight SMILES strings
原理 通过比较两个给定靶标蛋白所能结合的配 体集合的整体结构相似性来得到两个蛋白 之间的相似性得分。
理论基础:序列比对
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Similarity Ensemble Approach
SEA的计算步骤1:构建配体集
count the bits that are “on” in both molecules
count the bits that are “on” in each molecule separately
struct A: struct B: A AND B:
00010100010101000101010011110100 00000000100101001001000011100000 00000000000101000001000011100000
配体小分子结构信息
公共数据资源 PDSP Ki
~6800 chemicals;~46000 Ki
Binding DB
~18000 chemicals;~30000 Ki,IC50
PubChem BioAssay
~560000 chemicals;
PDBbind‐CN
~8700 small‐molecule ligands;~3600 protein DTRs
i.e. “monotonic” with the Tanimoto coefficient
also called the Czekanowski or Sørenson coefficient
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13 bits on (A) 8 bits on (B) 6 bits on (C)
similarity coefficient can be calculated from A, B and C
A
B C
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将配体集间的相似性Raw Score转化为E值, 通过E值消除配体集大小对结果的影响进而进 行比较。
Z = (Raw score – μ(x)) / σ(x) P(Z > z) = 1 – exp(‐e‐zπ/sqrt(6)–Г’(1)) E(z) = P(z)Ndb
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Matador
~770 drugs;~7000 direct and 5000 indirect DTRs
SuperTarget
~1500 drugs;~7300 DTRs
Therapeutic Target Database(TTD)
~2100 drugs;~1535 DTRs
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相似性测度
Dice coefficient similarity =
= 12 / (13 + 8) = 0.57
does not give the same values as the Tanimoto coefficient, but will rank molecules in the same order of similarity to a target
TC 阈值的确定
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SEA的应用
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小结
丰富的公共药物靶点数据库是研究的基础 谷本系数是最常用的配体相似性测度 SEA算法对于不同的数据,Tc阈值不同 SEA算法具有广泛的应用
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思考题 简述SEA算法 举例说明1-2种SEA可能的实际应用
00010100010101000101010011110100
0 means fragment is not present in structure 1 means fragment is present in structure (perhaps
multiple times)
each 0 or 1 can be represented as a single bit in the computer (a “bitstring”)
相似性测度
Cosine coefficient(余弦系数)
similarity =
C
(A B)
A
B C
= 6 / (13 8) = 0.588
not monotonic with the Tanimoto and Dice coefficients, but highly correlated with them
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配体小分子结构信息
指纹(Fingerprints)
the fragments present in a structure can be represented as a sequence of 0s and 1s
......
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配体小分子结构信息
商用数据资源 Target inhibitor database(GVK Bio) AurSCOPE (Aureus) stARLITe ChemBioBase Suite BioPrint WOMBAT MDDR
also called the Ochiai (落合)coefficient
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Similarity Ensemble Approach
Similarity Ensemble Approach
SEA算法 Michael J Keiser,Nbt1284
药物靶标的计算预测方法
College of Bioinformatics Science and Technology
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配体结构相似策略
徐建凯 生物信息科学与技术学院
哈尔滨医科大学
主要内容
配体小分子结构信息 相似性测度 SEA算法 ※▲ SEA的应用 ※
配体小分子结构信息
Tanimoto coefficient(谷本系数)
similarity =
C
A
A+B–C
B C
= 6 / (13 + 8 – 6) = 0.4
the number of bits set in both molecules divided by the number of bits set in either molecule
Tc(l1i , l2 j )
1im,1 jn
Tc(l1i ,l2 j )Threshold
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