蛋白质组学技术在新药研发中的应用

蛋白质组学技术在新药研发中的应用2009207100吕晓敏蛋白组学介绍20世纪末，基因组学和质谱技术的发展将我们带入一个新的领域——蛋白质组学。由于人体健康和疾病状态的生理机制都表现在蛋白质水平，而药物设计起始阶段的药物靶点也是由蛋白质构成，因此蛋白质组学作为一种全新的技术平台，正日益广泛地应用于后基因时代药物发现和药物开发的研究中。概括靶标识别靶标确认药物设计和先导化合物的优化临床试验靶标识别高通量蛋白质组学由于能在药物治疗前后或疾病与正常组织比较的模式系统中识别数百到数千潜在的蛋白质表达差异，已经成为后基因组时代发现和确认药物靶标的重要手段。靶标识别1.生物标记的鉴定疾病的发生发展是一个复杂的过程，包括许多蛋白质在表达水平或表达类型上的改变，这些发生改变的蛋白质通常可以在组织或体液中被检测到，因此可以作为疾病治疗的标记。这类标记物的发展在药物研发中的作用也是显而易见的，可以在药物先导物优化时作为各类药物候选物的药效指标，也可用于临床前合适动物模型选择以及临床研究中合适病人的选择。靶标识别Pfizer公司与McGill大学合作，比较了骨关节炎（OA）患者的14种不同血清与尿液蛋白，研究如何对OA患者进行分组以及寻找高度特异性的生物标记。根据对疾病末期各个阶段生物标记的基本组分分析，研究者将OA生物标记分为几大类，分别为炎症标记、骨标记以及软骨合成与分解代谢标记。三类生物标记的一组数据可以很好的区分不同的OA患者。因此，在这个例子中，直接用于指示疾病过程（骨骼新陈代谢）的生物标记，通过体液测量可以用于药物候选物开发的整个过程。靶标识别2.蛋白质修饰的识别除了识别与疾病发生发展相关的蛋白，探索蛋白质的修饰对阐述与疾病相关的分子路径的变化也同样具有重要意义。靶标识别糖基化作用是一种疾病状态下蛋白质发生的修饰行为，事实上目前很多已被用作生物标记的疾病通路蛋白为糖蛋白。牛津大学的报道了检测糖蛋白的一种有效方法。Peracaula等从胰腺癌细胞中发现隐藏着的Rnase1与正常胰脏细胞的Rnase1相比有明显不同的糖基化作用。靶标识别3.蛋白质-蛋白质相互作用的研究许多人类疾病如癌症、自身免疫疾病，病毒感染等都与蛋白相互作用的衰竭或紊乱有关。因而完全阐明人类疾病蛋白与其它已知或未知蛋白的相互作用，分析蛋白质药物与特异性受体的结合特性，将全面揭示治疗干预的靶点，寻找与潜在的疾病靶点结合的可能的药物蛋白质。靶标确认潜在的蛋白质靶标主要存在于疾病相关的细胞或人体组织中，药物开发下一阶段的工作主要通过调整蛋白质活性观察模式系统中疾病表型的变化来确认靶标。靶标确认目前有一种基因敲入大鼠模型，称为模拟敏感性激酶等位基因（ASKA）大鼠。在该模型中表达的天然蛋白激酶为一种变异体，可以被ATP模拟P-抑制子抑制。这个模型的优点是大鼠可以正常发育，酶在其生命期限后期的某一特定时间里敲除，而抑制作用对大鼠健康以及老化的影响可以得到评估。靶标确认蛋白质与抗体微阵列也被用于筛选蛋白质相互作用与功能。蛋白质芯片或微阵列是研究受体-配基相互作用、酶活性以及抗体-抗原相互作用的理想工具，具有快速、高通量的特点。微阵列格式可以用于整个蛋白质组（包括已知和未知蛋白）相互作用的筛选。药物设计和先导化合物优化确认蛋白质靶标之后，结构蛋白质组学技术可用于药物设计与先导化合物优化。一旦获得某一特定的蛋白质靶标，通常就可以开展蛋白质结晶的表达和纯化。在获得结晶之后，利用X-射线衍射和多波长不规则衍射（MAD）等技术可获得纯化的蛋白质晶体结构。药物设计和先导化合物优化蛋白质晶体结构信息有助于找到合适的药物候选物，这样的虚拟筛选还可用于筛选基于结构的活性关系因子用于先导化合物优化。药物设计和先导化合物优化结构蛋白质组筛选已经成功的用于研发HIV蛋白酶抑制剂、流感病毒神经酰胺酶抑制剂以及抗微生物剂等，另外也可用于新的广谱抗生素的开发。即使无法获得蛋白质晶体结构的信息，也可用计算机软件根据一级结构或功能的同源性生成靶标蛋白的模拟结构。药物设计和先导化合物优化基础活性探针（ABPs）也可用于检测潜在药物化合物与特异蛋白质的交互作用。这些化学活性探针是基于蛋白质特异性的活性组分衡量蛋白质活性，因此可以用于潜在药物因子的抑制研究。临床试验一旦化合物处于临床前开发状态，先导化合物优化以及化合物活化需依靠检测手段的发展去评估先导因子的毒性和有效性。很多制药公司开始利用蛋白质组学技术来完成这一部分的工作。例如在寻找毒性生物标记时，研究者不仅希望找到正处于开发中化合物特异性的毒性生物标记，而且也希望获得通用组织毒性生物标记以用于未来研究中的化合物评估。临床试验GlaxoSmithKline的研究者利用传统的2-DE蛋白质组学技术鉴定庆大霉素诱导的中毒性肾损害中发生改变的蛋白质。这类蛋白质的鉴定与了解毒理机制是一致的。研究者指出这些生物标记对于开发筛选潜在中毒性肾损害的抗生素也有一定作用。总结蛋白质组学已经作为一种独立的技术被广泛应用于新药研发中，它是建立在基因组技术和蛋白质分析、分离技术上的巨大进步。但是，也应该看到蛋白质组学毕竟还处在发展阶段，蛋白质组在提高通量化、低丰度蛋白质的分辨率及增加质谱分析小量样品的灵敏度上仍需要进一步完善。相信随着技术的进步，人们将有能力更好地揭示蛋白质的功能，不断发展的蛋白质组学，高通量的蛋白质组平台技术和丰富的生物信息学信息，将会极大地推动和加速新药研发的全过程。谢谢大家！