導(dǎo)讀：藥物研發(fā)一直是個(gè)繁瑣的過程，化學(xué)家們需要篩選千百種化學(xué)分子，才可能找出有效的藥物。DNA技術(shù)可以大大加快這一過程。過去幾年來，藥物化學(xué)家通過用DNA標(biāo)記化學(xué)分子，形成分子的二維碼，從而提高藥物研發(fā)成功率。

　　麻省沃爾瑟姆市(Waltham, Massachusetts)的一座鋼筋混泥土建筑的二樓，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室冰箱里的塑料盒中，包含著無數(shù)種化學(xué)分子。這些分子是葛蘭素史克制藥公司(GlaxoSmithKline，GSK)合成的帶DNA標(biāo)簽的分子，數(shù)目達(dá)到萬億種——這是銀河系恒星數(shù)目的10倍。

　　各大制藥公司和生物工程公司都在采用這種DNA編碼分子庫(kù)來迅速篩選能與疾病相關(guān)蛋白結(jié)合的分子，尤其是能與那些目前難以靶向的蛋白結(jié)合的藥物。這種篩選方法比傳統(tǒng)篩藥方式更迅速，更便宜。基礎(chǔ)科學(xué)研究者也可以使用這種方法來探索基本生物學(xué)問題，研究酶、受體和細(xì)胞通路。

　　藥物研發(fā)的起始步驟往往是：研究人員合成大量化學(xué)分子，然后測(cè)試這些分子對(duì)目標(biāo)蛋白的結(jié)合作用。在多孔板的每個(gè)孔里加入目標(biāo)蛋白，然后分別加入各種藥物分子，檢測(cè)這些分子對(duì)蛋白活力的影響。這種方法被稱為高通量篩選(high-throughout screening，HTS)，主要使用機(jī)器自動(dòng)測(cè)試上百萬種化學(xué)分子，但仍然耗時(shí)耗力還費(fèi)錢，而且不一定湊效。

　　過去幾年來，藥物化學(xué)家通過用DNA標(biāo)記化學(xué)分子，形成分子的二維碼，從而提高藥物研發(fā)成功率。這些DNA編碼分子庫(kù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：首先，研究者并不需要單獨(dú)測(cè)試每種分子;而是只需把分子分成各種混合物，然后檢測(cè)混合物是否對(duì)目標(biāo)蛋白活性有影響。一旦有分子能與目標(biāo)蛋白結(jié)合，它就很容易被認(rèn)出來——因?yàn)榭梢詸z測(cè)它的DNA二維碼。

　　1992年斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的分子生物學(xué)家Sydney Brenner 和化學(xué)家 Richard Lerner提出DNA編碼分子庫(kù)這一概念。此后，DNA編碼分子庫(kù)一直發(fā)展迅猛。2007年，GSK公司以5500萬美金收購(gòu)了一家在DNA標(biāo)簽分子庫(kù)研究站處于地位的公司。瑞士巴塞爾的諾華公司和羅氏公司也建立了內(nèi)部DNA標(biāo)簽分子庫(kù)研究項(xiàng)目。多家新興生物科技公司——包括沃爾瑟姆的X-chem、哥本哈根的Vipergen、劍橋的Ensemble制藥公司和瑞士的Philochem——也和學(xué)界和工業(yè)界合作，迫切希望使用該技術(shù)。

　　“人們現(xiàn)在明白了，DNA編碼分子庫(kù)不是一種時(shí)尚，而是可以實(shí)現(xiàn)的。” 波士頓阿斯利康公司(X-Chem公司的合作者之一)化學(xué)創(chuàng)新中心的執(zhí)行理事Robert Goodnow這樣說到。

　　DNA編碼分子庫(kù)不會(huì)取代高通量篩選：由于一些化合物不能使用DNA編碼技術(shù)合成，各大公司已在高通量篩選上投入巨資。但DNA編碼分子庫(kù)提供了一個(gè)快速有效、低成本的互補(bǔ)方案，幫助尋找與新的或具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)蛋白結(jié)合的分子。例如，尋找泛素連接酶——一種將泛素分子連接到目標(biāo)蛋白的酶、可作為癌癥治療的靶向分子——的結(jié)合分子。

圖：建立DNA二維碼

　　大即是美

　　GSK目前擁有世界上zui大的DNA編碼分子庫(kù)：GSK的高通量篩選庫(kù)有200萬種分子，而DNA編碼分子庫(kù)有1萬億種分子，是高通量篩選庫(kù)的50萬倍。

　　建立DNA編碼庫(kù)有幾種方式：zui大的分子庫(kù)，如GSK公司，使用 DNA記錄法(圖：建立DNA二維碼)。首先合成化學(xué)構(gòu)建模塊，如氨基酸、胺和羧酸，然后通過化學(xué)反應(yīng)，為它們添加不同的DNA二維碼。將第二個(gè)建構(gòu)模塊加入到混合物中，形成新的小分子，DNA標(biāo)簽延長(zhǎng)。通過連接4個(gè)構(gòu)建模塊，化學(xué)家可創(chuàng)造藥物分子。由于建筑模塊的種類有上千種，因此潛在的組合數(shù)目非常巨大。

　　與傳統(tǒng)高通量篩選相比，化學(xué)家必須單獨(dú)對(duì)每個(gè)化合物進(jìn)行檢測(cè)，而DNA編碼庫(kù)更易于維護(hù)和使用。DNA編碼庫(kù)可以存儲(chǔ)在一個(gè)單一測(cè)試管中，而高通量篩選需要使用機(jī)器人把每個(gè)分子單獨(dú)放到一個(gè)測(cè)試管中。

　　但GSK的Chris Arico-Muendel表示，DNA編碼庫(kù)zui大的優(yōu)點(diǎn)，是可合成的分子數(shù)量多。對(duì)于新或難的目標(biāo)蛋白，GSK使用DNA編碼庫(kù)和高通量篩選的頻率相同，甚至更高。迄今為止，GSK公司使用DNA編碼技術(shù)合成的化合物是GSK2256294，能有效阻斷環(huán)氧化物酶，一種參與脂肪分解的酶。該候選藥物是Praecis和GSK的合作成果，已通過1期臨床安全實(shí)驗(yàn)，將進(jìn)一步評(píng)估其在糖尿病、傷口愈合和慢性阻塞性肺病的治療中的效果。Arico-Muendel表示，他們很高興，GSK的DNA編碼庫(kù)能發(fā)展這么順利。

　　隨著化學(xué)構(gòu)建模塊的增多，以及連接方式的增多，DNA編碼庫(kù)還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　X-Chem執(zhí)行官Richard Wagner則認(rèn)為，在不久的將來，DNA編碼庫(kù)不僅變得更大，也能更快進(jìn)入臨床。傳統(tǒng)的藥物篩選中，藥物化學(xué)家有時(shí)要花許多年來調(diào)整化合物結(jié)構(gòu)，讓它們更特異、強(qiáng)效和安全。Wagner表示，可以說，傳統(tǒng)篩藥只是一場(chǎng)概率游戲。相比之下，基因編碼庫(kù)的大尺寸意味著，按照概率計(jì)算，一些化合物更易進(jìn)入臨床。盡管這些化合物仍然需要優(yōu)化，但更接近理想分子，需要調(diào)整的幅度更小。

　　X-Chem的DNA編碼庫(kù)有1200億種化合物，并已開始進(jìn)行實(shí)踐。僅僅過了一年，他們就篩選出了候選藥物——一種autotaxin抑制劑，能阻斷一種磷脂轉(zhuǎn)化成另一種磷脂。X-Chem的子公司X-Rx現(xiàn)在計(jì)劃在2017年開始纖維變性藥物的臨床試驗(yàn)。業(yè)界對(duì)X-Chem的DNA編碼分子庫(kù)的興趣日益高漲：在過去五年中，該公司已與幾大制藥*，包括羅氏、阿斯利康、拜耳、強(qiáng)生、輝瑞、賽諾菲等簽署合作協(xié)議，此外還和多個(gè)生物工程公司和學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室建立合作。

　　定制合成

　　其他生物公司則采用另一種方法合成分子庫(kù)。他們不僅使用DNA標(biāo)簽來標(biāo)記分子，也使用DNA標(biāo)簽作為合成模板。哈佛大學(xué)(Harvard University)的化學(xué)家David Liu和他的學(xué)生開發(fā)了一種DNA模板法，產(chǎn)生環(huán)形分子庫(kù)。環(huán)狀分子更大、更穩(wěn)定，能在多個(gè)位點(diǎn)與目標(biāo)分子結(jié)合，增強(qiáng)結(jié)合反應(yīng)的特異性。(GSK和X-Chem公司都有很大的DNA編碼環(huán)形分子庫(kù)。)

圖為Sydney Brenner，與Richard Lerner在1992年提出DNA編碼分子庫(kù)的概念。

　　Liu首先產(chǎn)生單鏈DNA模板，模板包含與化學(xué)構(gòu)建模塊的DNA標(biāo)簽互補(bǔ)的序列。然后依次往化學(xué)反應(yīng)容器中加入DNA標(biāo)記的化學(xué)構(gòu)建模塊，依靠DNA堿基配對(duì)，使各個(gè)構(gòu)建模塊的DNA標(biāo)簽與DNA模板結(jié)合。zui后的反應(yīng)是將各個(gè)化學(xué)構(gòu)建模塊連接成環(huán)狀，產(chǎn)生環(huán)形分子和一個(gè)長(zhǎng)鏈DNA標(biāo)簽。

　　構(gòu)建DNA模板庫(kù)需要大量工作，因?yàn)檠芯咳藛T必須為每個(gè)分子設(shè)計(jì)模板，還需要為成千上萬種化學(xué)構(gòu)建模塊設(shè)計(jì)DNA標(biāo)簽。因此，DNA模板法產(chǎn)生的分子庫(kù)小于DNA記錄法產(chǎn)生的分子庫(kù)，但依舊遠(yuǎn)大于高通量篩選庫(kù)，并且還擁有其他優(yōu)點(diǎn)。在DNA模板法中，科學(xué)家們一開始就知道zui終合成的分子有哪些，他們可以純化分子庫(kù)，去掉那些標(biāo)簽錯(cuò)誤的分子。這增加了篩藥的成功率。相比之下，巨大的DNA記錄分子庫(kù)可能仍然包含標(biāo)簽錯(cuò)誤的化合物。萬一標(biāo)簽錯(cuò)誤的分子與目標(biāo)蛋白結(jié)合，研究者們就需要浪費(fèi)大段時(shí)間在糾錯(cuò)上。

　　Liu的分子庫(kù)包含14000種分子，目前已取得一些成功。2014年，他的團(tuán)隊(duì)報(bào)道，他們發(fā)現(xiàn)了一種穩(wěn)定的、特異的胰島素降解酶(insulin-degrading enzyme, IDE，與2型糖尿病有關(guān))小分子抑制劑，在此之前，研究者們花了幾十年尋找和設(shè)計(jì)IDE抑制劑。Liu等人開始研究IDE在健康和疾病中的作用，幫助尋找其它IDE抑制劑。目前他們正努力把小分子抑制劑轉(zhuǎn)化成臨床藥物。

　　Liu也篩選了100多種目標(biāo)蛋白的抑制劑。這些蛋白大多急需小分子抑制劑，來促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的研究。“我沒有想到，*代分子庫(kù)在7年后的今天，仍然能為我們帶來這么多科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在篩選抑制劑上，我們成果累累。到現(xiàn)在為止，我們發(fā)現(xiàn)了非常多種分子的抑制劑，數(shù)目多到我們無法一一研究。”

　　盡管如此，Liu仍然不懈發(fā)展第二代DNA模板分子庫(kù)，這個(gè)分子庫(kù)包含256000個(gè)環(huán)形分子。Liu在2004年創(chuàng)立了Ensemble Therapeutics公司，該公司的分子庫(kù)現(xiàn)在已有1000萬個(gè)分子。公司聚焦于尋找免疫檢查點(diǎn)蛋白的抑制劑，調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)和泛素連接酶。他還授權(quán)給諾華公司，開發(fā)靶向炎癥相關(guān)蛋白白細(xì)胞介素-17的藥物。

　　快速篩選

　　一旦分子庫(kù)建立成功，就開始了目標(biāo)蛋白結(jié)合分子的尋找之旅。大多數(shù)研究人員依靠“親和篩選”來找出這些化合物。為此，他們?yōu)榘械鞍滋砑蛹兓瘶?biāo)簽，使用純化標(biāo)簽把結(jié)合了分子的蛋白提取出來。zui后一步是讀取DNA標(biāo)簽，鑒別與蛋白結(jié)合的小分子。

　　這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，僅需一點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)蛋白，就能得到結(jié)果。在一個(gè)項(xiàng)目中，Arico-Muendel想尋找一種不穩(wěn)定的、獲取量很少的蛋白的結(jié)合分子。他說，“把蛋白放在干冰上后，我們很快完成了整個(gè)篩選過程。而且我們找到了一些能與該蛋白結(jié)合的分子。”高通量篩選是無法完成這種這類實(shí)驗(yàn)。因?yàn)楦咄亢Y選里，目標(biāo)蛋白必須穩(wěn)定且足量，且要在實(shí)驗(yàn)開始前往千百個(gè)孔里加入目標(biāo)蛋白。

　　但親和篩選也有其不足。笨重的DNA標(biāo)簽有時(shí)會(huì)阻礙分子與目標(biāo)蛋白的互動(dòng)，因此一些有效的分子可能被遺漏。但由于DNA編碼庫(kù)太大，研究者們通常不太在意這些損失。更大的問題是，小分子和標(biāo)簽可以結(jié)合到純化柱上，產(chǎn)生假陽(yáng)性率。純化標(biāo)簽也會(huì)影響目標(biāo)蛋白的結(jié)構(gòu)，引入數(shù)據(jù)誤差。

　　幾個(gè)研究小組已經(jīng)找到了解決之道。Vipergen，一家擁有5000萬個(gè)分子的DNA模板庫(kù)的生物技術(shù)公司，采用“粘合劑陷阱”來解決這個(gè)問題。

　　Vipergen公司的執(zhí)行官Nils Hansen表示，你可以凍結(jié)你的蛋白——分子庫(kù)混合物，切割成非常小的冰塊。如果冰塊足夠小，每個(gè)冰塊只包含一個(gè)靶蛋白。在這個(gè)尺度上，即使沒有純化，與該靶蛋白結(jié)合的小分子的比例也會(huì)增加。Vipergen在水和油乳劑中完成篩選，也能達(dá)到同樣的效果。此時(shí)，微小的水滴的效果等同于小冰塊。Hansen感慨，“這超酷!”

　　目前，DNA編碼分子庫(kù)用于篩選可溶于水、自由浮動(dòng)的蛋白的抑制劑。但很多重要的藥物靶點(diǎn)嵌于細(xì)胞表面，因此不可能使用傳統(tǒng)的親和篩選法。例如，大約40%的經(jīng)認(rèn)證藥物的靶點(diǎn)都是細(xì)胞膜上感受胞外刺激的G蛋白偶聯(lián)受體。Goodnow指出，膜結(jié)合蛋白的篩選技術(shù)在不斷發(fā)展，“但仍然不夠完善”。

　　一種解決方法是混合DNA編碼分子庫(kù)與過表達(dá)膜結(jié)合蛋白靶標(biāo)的完整細(xì)胞。小分子可以與細(xì)胞表面的目標(biāo)蛋白結(jié)合。然后，研究者洗去未發(fā)生結(jié)合的分子，加熱細(xì)胞，讀取DNA標(biāo)簽，鑒定有效的小分子。GSK已經(jīng)用這種方法來確定一個(gè)受體——該受體在精神分裂癥和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中起重要作用的強(qiáng)效抑制劑。

　　X-Chem也在膜結(jié)合蛋白藥物篩選中獲得成功。Wagner說，“以前，我們主要篩選可溶性蛋白的抑制劑。但數(shù)據(jù)顯示，我們現(xiàn)在也能篩選相對(duì)困難的膜結(jié)合蛋白的抑制劑。” Wagner補(bǔ)充說，隨著DNA編碼庫(kù)的不斷擴(kuò)大，以及新的篩選方法的問世，“DNA編碼庫(kù)將成為醫(yī)藥行業(yè)藥物研發(fā)的支柱之一。”

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