荒诞！985教授最新成果受关注，药物领域再次迎来“绝地翻盘”！

第一天

导论与基础

1. 蛋白质三维结构的预测对于药物发现的重要性

1.1 同源建模

1.2 从头建模

2. 蛋白质（酶/靶点）活性位点在药物发现的重要性

3. 药物发现中的关键结构特征（特别是小分子）

4. 药物辅助发现常用的计算方法

4.1 分子对接

4.2 虚拟筛选

4.3 分子动力学模拟

4.4 其他

PDB数据库的介绍

1.1 检索蛋白

1.2 页面功能及解读

1.3 数据的下载

1.4 PDB文件格式的解读

2. PyMol

2.1 软件介绍

2.2 基本操作介绍

2.3 蛋白及小分子表面图、静电势表示

2.4 绘制相互作用图及制作简单动画

第二天

同源建模

1. 同源建模原理介绍

1.1 同源建模的功能及使用场景

1.2 同源建模的方法

2. Swiss-Model 同源建模；

2.1 同源蛋白的搜索（blast等方法）

2.2 蛋白序列比对

2.3 蛋白模板选择

2.4 蛋白模型搭建

2.5 模型评价（蛋白拉曼图）

2.6 蛋白模型优化                       

实例讲解与练习：用2019-nCoV spike蛋白序列建模，根据相应参数和方法评价模型

小分子构建

1. ChemDraw软件介绍

1.1 小分子结构构建

1.2 小分子理化性质（如分子量、clogP等）计算

1.3 分别构建大环、氨基酸、DNA、RNA等分子

小分子化合物库

2 小分子数据库

2.1 DrugBank、ZINC、ChEMBL等数据库介绍及使用

2.2 天然产物、中药成分数据库介绍及使用

第三天

分子对接基础

1.1 分子对接原理

1.2 分子对接分类

1.3 分子对接打分函数

2. 常规分子对接实践

2.1 对接的执行

2.1.1 药物分子配体的准备

2.1.2 蛋白受体的准备

2.1.3 受体格点计算

2.1.3 执行半柔性对接

对接结果评价

1.2.1 晶体结构构象进行对比

1.2.2 能量角度评价对接结果

1.2.3 聚类分析评价对接结果

1.2.4 最优结合构象的选择

2 对接其他方式的实现

第四天

1 柔性对接

1.1 小分子配体优化准备

1.2 蛋白受体的准备

1.3 柔性残基的定义

1.4 蛋白受体格点计算

1.5 柔性对接计算及结果评价

1.6 半柔性对接与柔性对接比较与选择

2 柔性对接其他方式的实现

下午

基于受体的药物发现

1 虚拟筛选的准备

1.1 小分子文件的不同格式

1.2 openbabel最实用功能的介绍

1.3 小分子不同格式的转化

2. 基于对接的虚拟筛选

2.1 虚拟筛选定义、流程构建及演示

2.2 靶点蛋白选择、化合物库获取

2.3 虚拟筛选

2.4 结果分析（打分值、能量及相互作用分析）

第五天

上午

一些特殊的分子对接

1.小分子-小分子对接

1.1小分子-小分子相互作用简介

1.2小分子结构预处理

1.3小分子-小分子对接（糖-小分子为例）

1.4对接结果展示与分析

2. 蛋白-核酸对接

3. 蛋白-蛋白对接

下午

基于配体的药物发现

1. 3D-QSAR模型构建（Sybyl软件）

1.1 小分子构建

1.2 创建小分子数据库

1.3 小分子加电荷及能量优化

1.4 分子活性构象确定及叠合

1.5 创建3D-QSAR模型

1.6 CoMFA和CoMSIA模型构建

1.7 测试集验证模型

1.8 模型参数分析

1.9 模型等势图分析

1.10 3D-QSAR模型指导药物设计

第六天

上午

1. linux系统介绍

2.常用命令介绍

3. linux上程序的安装（gromacs）

下午

MD实践一：溶剂化下蛋白质分子动力学模拟

全面熟悉分子动力学模拟的一般流程

第七天

上午

MD实践二：溶剂化下蛋白质-配体的分子动力学模拟

掌握处理非标准残基的力场拟合

下午

分子动力学模拟中的常用分析命令

蛋白-配体结合自由能的结算

部分模型案例图片

第一天

1     人工智能药物发现(AIDD)简介

2     机器学习和深度学习在药物发现领域的应用

2.1  分子属性预测与优化

2.2  虚拟筛选

2.3  药物副作用预测与安全性评估

2.4  新药分子设计

3     工具介绍与安装

3.1  Anaconda3/Pycharm 安装

3.2  Numpy 基础

3.3  Pandas 基础

3.4  Matplotlib 基础

3.5  Scikit-learn 基础

3.6  Pytorch 基础

3.7  RDKit 基础

第二天

1     机器学习简介

1.1     机器学习四要素

1.2     数据模块

1.3     核心和高级 API

2     回归算法与应用

2.1     线性回归

2.2     Lasso 回归

2.3     Ridge 回归

2.4     ElasticNset 弹性网络

3     分类算法与应用

3.1     逻辑回归

3.2     朴素贝叶斯

3.3     KNN

3.4     SVC

3.5     决策树

3.6     随机森林

3.7     集成学习

4     聚类算法

4.1     KMeans

4.2     密度聚类 DBSCAN

5     降维

5.1     奇异值分解 SVD

5.2     主成分分析 PCA

5.3     非负矩阵分解 NMF

6     模型的评估方法和评价指标

6.1     超参数优化

6.2     交叉验证

6.3     评价指标

7     特征工程

8     机器学习药物发现案例（一）

——化合物生物活性分类模型

9     机器学习药物发现案例（二）

——化合物生物活性回归模型

10   机器学习药物发现案例（三）

—— 药物副作用预测模型

图1. 副作用在药物-药物相似性网络中传播。

第三天

1     深度学习与药物发现（ 一）

1.1  深度神经网络

1.2  正向和反向传播

1.3  优化方法

1.3.1  梯度下降增加动力

1.3.2   自适应学习

1.3.3  Adam

1.4  损失函数

1.4.1  平均绝对误差

1.4.2  均方误差损失函数

1.4.3  交叉熵损失函数

1.5  卷积神经网络

1.5.1  卷积层

1.5.2  填充和步幅

1.5.3  池化层

1.5.4  LeNet 网络

1.5.5  AlexNet 网络

2     深度学习药物发现案例（一）

—— 药物-药物相互作用预测模型

第四天

1     深度学习与药物发现（ 二）

1.1  循环神经网络

1.2  消息传递神经网络

1.3   图卷积神经网络

1.4   图注意力神经网络

1.5   图采样和聚合

2     深度学习药物发现案例（二）

—— 药物靶标相互作用预测模型

3     深度学习药物发现案例（三）

—— 药物重定位模型

第五天

1     深度学习与药物发现 （三）

1.1  注意力机制

1.2   自注意力模型

1.3  多头自注意力模型

1.4  交叉注意力模型

1.5  Transformer 模型

2     深度学习药物发现案例（四）

—— 药物-药物相互作用预测模型

3     深度学习药物发现案例（五）

—— 药物靶标结合亲和力预测模型

图 4.将药物和蛋白质信息关联起来的带有注意力区块的AttentionDTA模型

第一天

蛋白质结晶前准备

课程介绍和蛋白质结构功能基本介绍

提纯蛋白质,确定浓度、pH值、缓冲液等条件,控制蛋白质稳定性等。

1、目的蛋白质信息检索与调查

- 利用生物信息学工具搜集目标蛋白质的基因序列、结构域、同源蛋白质的信息

- 分析目标蛋白质的理化性质,如分子量、等电点、聚合程度、稳定性等

2、质粒制备

- 设计引物,克隆目标基因到表达载体

- 转化表达宿主,提取重组质粒

- 质粒测序等验证目标基因插入

3、蛋白质纯化

- 选择合适的诱导表达等条件,表达可溶性或不溶性重组蛋白

- 裂解菌体,释放重组蛋白质

- 蛋白质纯化:亲和层析、离子交换层析、凝胶过滤等层析技术的原理和实践等

4、蛋白质不表达和包涵体问题

- 分析不表达的原因,优化诱导条件

- 改进溶解缓冲液条件,提高蛋白从包涵体中释放

5、蛋白质活性鉴定

- 进行Western Blot或酶活性实验验证蛋白质活性

6、蛋白质结晶前分析

- 测定蛋白质的纯度、聚合状态、稳定性等

- 优化缓冲液条件,调整蛋白质到适宜的pH和离子浓度等

第二天

蛋白质结晶与衍射数据收集

利用协同结晶筛选获得蛋白质结晶,在同步辐射光源下收集衍射数据。

1、蛋白质结晶

- 蛋白质结晶的基本原理

- 蛋白质结晶的影响因素

- 蛋白质结晶的基本方法

- 结晶条件筛选策略- 结晶条件筛选策略

- 没有晶体或者改善晶体质量的策略

- 晶体后处理

- 晶体冻存的基本原理和策略

2、SSRF（同步辐射光源） 的介绍

- SSRF简介

- SSRF的光源优势

- SSRF的实验站介绍

3、蛋白质晶体衍射数据收集

- X射线结晶学基本原理

- 晶体探针和晶体定位

- 晶体测试和优化

- 衍射数据收集参数设定和收集策略

- 衍射数据处理和分析

第三天

蛋白质晶体结构解析软件安装

安装相关计算机程序,如Phenix, XDS, Pymol等用于后续的数据处理与模型建立。

1、下载和安装简要介绍

2、蛋白质晶体结构解析软件安装

- CCP4安装

- Phenix安装

- Coot安装

- PyMol安装

- 其他结构解析支持软件安装

依次介绍CCP4、Phenix、Coot、PyMol等主要的结构解析软件的下载和安装方法。也可以介绍一些结构解析中需要的其他软件工具的安装。

Index、integrate与scale & merge等软件使用和介绍

利用软件index及integrate衍射点,scale& merge等处理衍射数据以校正强度。 

1、晶体结构学基础知识

- 晶体学中的衍射理论基础

- 布拉格定律和倒易空间

- 晶体的对称性

2、蛋白质晶体结构解析流程

- 蛋白质的表达与纯化

- 蛋白质的结晶

- X射线晶体学数据收集

- 晶体结构解析流程概述

3、Index和integrate

- Indexing的目的和原理

- Integration的目的和过程

4、Scale & merge

- Scale & merge的目的——校正数据

- Scale& merge常用方法

5、使用Scala/XSCALE/Aimless等进行Scale & merge

- Scala/XSCALE/Aimless等软件介绍

- Scala/XSCALE/Aimless进行数据scale& merge的步骤

6、使用HKL2000进行index、integrate和scale & merge

- HKL2000软件介绍

- 使用HKL2000进行indexing

- 使用HKL2000进行integration

- 使用HKL2000进行scaling & merge

第四天

相位解析、电子密度重构、分子结构模型构建修正和优化与结构提交

利用直接法/分子置换法/M(S)AD/M(S)IR 等等相位解析方法确定蛋白质框架,手动模型构建余下结构,进行修正和优化后达到标准后提交蛋白质坐标库。

1、 直接法/分子置换法/M(S)AD/M(S)IR 等方法解析相位

（1）直接法/分子置换法/M(S)AD/M(S)IR等的基本原理

(2) 直接法/分子置换法/M(S)AD/M(S)IR等的目的

(3) 常用的软件介绍

(4) 直接法/分子置换法/M(S)AD/M(S)IR等的具体操作步骤

2．电子密度修饰：

（1）电子密度修饰的基本原理：

（2）电子密度修饰的目的

（3）电子密度修饰的常用软件介绍

（4）电子密度修饰的具体操作步骤

3．电子密度重构

（1）电子密度重构的目的和基本原理

（2）电子密度重构的操作

4、蛋白质晶体结构模型构建

(1) 蛋白质序列比对确定构建起始模型

(2) 主链构建方法

(3) 侧链构建方法

(4) 构建完成后的模型检查

5、蛋白质晶体结构修正与优化

(1) 能量最小化原理 

(2) 模拟退火原理

(3) 分子动力学模拟原理

(4) 优化过程中的评估标准

（5）结构修正常用软件介绍

（6）结构修证的具体操作步骤

6、蛋白质晶体结构验证

（1）结构验证的目的和基本原理

(2) Ramachandran图分析

(3) 各类键长和键角分布

(4) 密接点分析

(5) B因子分布

(6) 电子密度匹配度评价

（7）各种指标与统计数据

7、蛋白质晶体结构提交到PDB

(1) PDB数据提交要求

(2) 各项验证确认无误后压缩需提交文件

(3) 在PDB网站提交表单,上传文件,等待审核结果，回复信息

第五天

蛋白质晶体结构展示与分析 、结构与功能的关系

5.1 利用Pymol等软件分析并展示蛋白质的二级结构、三级结构,活性口袋等结构信息。

1、pdb格式文件简介

- pdb文件概述:包含蛋白质晶体学数据的标准格式

- 原子坐标:记录每个原子的xyz坐标

- 温度因子:记录每个原子的热运动参数

- 二级结构:记录α螺旋和β片层的位置

- 结构注解:记录配体、酶活性中心等重要结构信息

2、PyMOL制作蛋白质晶体结构图 

- PyMOL简介:流行的分子可视化软件

- 加载pdb文件

- 显示蛋白质链、α螺旋和β片层

- 调整视角、变色和放大关键结构

- 导出高质量图像3、使用PyMOL制作蛋白质配体结合位点信息

- 识别蛋白质与配体的相互作用

- 突出显示配体结合位点残基

- 在结合位点生成表面模型

- 制作配体结合位点的特写图

4、使用PyMOL调查蛋白质的温度因子B-factors

- 显示温度因子putty图

- 分析柔性域和稳定域

- 与酶活性中心和功能位点的关系

5、使用PyMOL重叠对比不同的蛋白质晶体结构

- 载入不同状态的pdb文件

- 重叠对齐蛋白质结构

- 比较构象变化,如酶动力学过程中的不同中间状态6、使用PyMOL显示蛋白质晶体结构中配体的电子密度图

- 加载包含配体密度的pdb文件

- 显示2Fo-Fc 和 Fo-Fc电子密度图

- 检查配体与电子密度的匹配程度

- 评估配体定位和取向的准确性7、使用PyMOL结合Chimera实现同步显示非对称单元的蛋白质分子

- 在PyMOL中显示蛋白质非对称单元

- 在Chimera中同步显示非对称单元

- 细节对比不同分子中的相同结构

- 分析蛋白质多聚体形成的分子间相互作用

5.2 生物大分子结构介绍

5.3 结构与功能关系：

（1）如何分析结构与功能关系：

（2）分析结构的目的：

（3）结构与功能关系的研究手段：

（4）结构能带来什么？

（5）测定结构之后的思路介绍

第一天

一、冷冻电镜的起源和发展

1， 冷冻电镜的起源

2， 冷冻电镜原理

3， 相机的发展

4， 冷冻制样方法的发展

二、 冷冻电镜的应用概述

1， 单颗粒冷冻电镜（single particle Cryo-EM analysis）

2， 原位冷冻电镜（cryo-ET）

3， 微晶电子衍射（Micro-ED）

第二天

三、冷冻电镜在结构解析中的应用

1， 结构解析方法概述

2， 单颗粒冷冻电镜方法的应用

3， 单颗粒冷冻电镜在结构解析和药物开发中的应用

四、 冷冻透射电镜的构造和成像原理

1， 基本概念

2， 冷冻透射电镜的构造

3， 成像原理简介

第三天

五、冷冻电镜的样品处理

1， 冷冻电镜样品概述

2， 冷冻电镜样品类型和处理方法

3， 样品制备方法及优缺点

4， 冷冻载网的选择（载网类型及特点）

六、 冷冻电镜高分辨数据收集

1， 数据收集软件

2， 数据收集流程和注意事项

3，数据分析和评价

第四天

七、冷冻电镜数据处理

1， 数据处理基本原理软件介绍

2， 数据处理过程基本概念

3， 软件使用，数据处理流程及注意事项

4， 数据处理软件的注意事项和软件系统的相互转换

第五天

八、电镜map图的展示和处理

1， Chimera，ChimeraX 软件下载安装

2， 软件基本使用规则

3， Chimera在冷冻电镜数据处理中的应用

九、 模型搭建和结构修正

1， Coot，Phenix 软件的下载安装

2， 模型搭建基本流程

3， 结构修正及评价

主讲老师来自国内高校、中科院等单位，老师主要擅长深度学习、机器学习、药物虚拟筛选、计算机辅助药物设计、人工智能药物发现、分子对接、分子动力学等方面的研究

主讲老师余老师，有十余年的计算机算法研究和程序设计经验。研究方向涉及生物信息学，深度学习，药物靶标识别，药物不良反应等。参与了国自然基金2项，主持了省厅级科研项目3项。一作身份发表SCI论文数篇，包括BMC Bioinformatics, Journal of Biomedical Informatics, International Journal of Molecular Sciences等知名期刊。

范教授毕业于中国科学院生物物理研究所，师从著名结构生物学家王院士，具有美国耶鲁大学留学六年多的背景，为独立PI。研究方向是结构生物学和免疫学；除了深钻结构生物学和免疫学，还在积极参与和推动结构生物学的教育工作，应邀在多所高校或者科研研究所开展结构生物学课程讲授，在多种国际期刊上发表论文30余篇，均为SCI，作为第一作者或通讯作者4篇一区，包括国际顶尖杂志PNAS两篇，一区top2篇等。并承担国家自然科学基金面上项目等；作为国际著名学术杂志Nature Communication和Journal of Virology, Structure等的审稿人。

来自中科院所毕业的结构生物学博士，主要利用单颗粒冷冻电镜手段研究作用于药物靶点的的分子机制和基于结构的药物设计。目前主要研究方向为膜蛋白及病毒相关蛋白的结构研究。5年内在国内外顶尖杂志包括Nature,NatureCommunications，Cell Research 等杂志发表文章数篇。