化学生物学

化学生物学—新兴的交叉前沿学科领域研究进展摘要化学生物学正在成为一个重要的新兴交叉学科，它是化学与生物学和医学等学科领域相互交叉、相互渗透的产物。化学的工具和方法，包括合成的、结构的和分析的，被用于研究生物和医学问题；分子生物学的手段也被用来解决化学问题。其主要策略是采用天然的或人工设计合成的小分子作为探针，改变生物分子的功能，探讨各种生理和病理过程中分子识别和信号通路的分子机制。这些研究得到的知识不仅有助于阐明细胞过程的细节和调节机制、增进在分子水平上对生命的认识，而且对于创制和发展新颖药物都具有重要意义。关键词化学生物学交叉学科前沿前言近年来，化学生物学已经成为具有举足轻重作用的一门新兴交叉学科，是推动未来生命科学和生物医药发展的关键研究领域。通过充分发挥化学和生物学、医学交叉的优势，化学生物学的研究具有重要的科学意义和应用前景，能够深入揭示生物学新规律，促进新药、新靶标和新的药物作用机制的发现，造福于人类的健康事业，推动社会经济发展。目前，化学生物学研究已经引起各国政府和全球重要科研机构的高度重视，成为发达国家竞相资助和优先发展的领域之一。化学生物学研究受到各国政府、科研机构和大制药公司的高度重视。美国国立健康研究院(NIH)提出的生物医学路线图计划(NIHRoadmap)，将化学生物学设定为5个研究方向之一。它们还设立了巨额预算作为化学生物学的培训经费以及建立了若干著名的小分子化合物筛选平台。例如，博大研究院(BroadInstitute)就是一个由哈佛大学和麻省理工学院共建的合作单位，致力于开发在生命科学和医药学中能探究基因组学的新工具。化学遗传学(chemicalgenetics)以及化学基因组学(chemicalgenomics)在该过程中发挥着重要的作用。耶鲁大学基因组和蛋白质组研究中心(YaleUniversityCenterforGenomicsandProteomics)专门成立了化学生物学研究小组，从事化学生物学新技术的开发，并应用于功能基因组等方面的研究中。美、日和大部分欧洲发达国家的一流大学均建立了化学生物学人才培养计划。各出版机构都相继出版了高水平的化学生物学专业学术杂志，此外许多生物和化学国际会议也设立了化学生物学分会。这些努力都极大地推动了国际上化学生物学研究水平的快速进步。1化学生物学当前的若干重要研究方向1.1以小分子化合物为探针，深入研究细胞生理、病理活动的调控机制1.1.1基因表达的小分子调控在极其复杂的真核细胞生物功能的调控网络中，mRNA合成是最为重要的靶位点，绝大部分真核基因的表达受控于mRNA合成的转录水平，一些激活蛋白质和抑制蛋白质能以基因特异的方式上调或下调合成靶基因编码的mRNA的能力，而转录激活蛋白和抑制蛋白的活性则受控于从细胞外到细胞内信号传导的级联反应。分子医学的最终目标就是要实现对这一过程的控制，即根据需要打开或关闭某一特定的基因。生物学通过微调转译激活蛋白和抑制蛋白的结构来调节其活性，进一步达到调控基因的目的。化学生物学是实现这一目标的另一个有效手段。它利用小分子来操控转译过程:用小分子来促进或拮抗调控过程中核蛋白-蛋白相互作用。在这方面已有许多成功的例子，例如天然产物histone脱乙酰基酶(HDAC1)的抑制剂trichostatinA(TSA)和traposinB，最近在建立染色质结构与转译活性之间的关联上发挥了重要作用。1.1.2细胞周期的小分子调控自然界存在的生物活性物质可以看作是生物体中类肽小分子配体的基因编码库，它们在阐明许多细胞循环的分子细节中处于中心地位。已经发现有许多生物活性小分子具有调控细胞周期的功能，如能使T细胞停留在G0期的FK506和cyclosporinA，能使细胞驻留在G1期的rapamycin，和抑制胆固醇合成的mevinolin和compactin，能使细胞驻留在S2期的DNA合成抑制剂5-FU和cytarabine，能破坏DNA并使细胞停留在S2期的bleomycinA2，具有蛋白磷酸化酶抑制活性的okadicacid，蛋白激酶C(PKC)调节剂staurosporine和bryostatin，能破坏微管结构和动态稳定性、激活细胞程序死亡的taxol，epothilone和mitomycinC等。这一领域的研究成果不仅能揭示生命过程调控的一般原理，并且能为发展新药提供理论基础。1.1.3细胞信号传导的小分子调控真核细胞的功能(分化、分裂和死亡)还受到细胞外激素或生长因子等的调控，它们是通过与膜表面的受体结合后进行跨膜转导，并通过细胞内的一系列信号转导的级联反应来实现的。生物活性小分子能特异性地作用于细胞膜表面的受体，或可穿透细胞膜直接与细胞内的各种蛋白酶相互作用，激活或抑制各种信号转导的级联反应，从而控制各种细胞功能。已有许多采用天然活性小分子理解和调控细胞内信号传导通路的例子。如Schreiber等通过天然产物和天然化合物的类似物(FK506、rapamycin和cyclosporinA)与免疫亲和蛋白(FKBP，cyclophilin)和磷酸激酶(calcineurin)的相互作用研究，对关键免疫细胞的信号传导机制进行了十分有效的解析。又例如，传统的遗传学对于肿瘤引起的新上血管生长的基因分析缺少较好的模型系统，可是，最近采用抗血管生长的天然产物fumagillin已为解析这个复杂过程的分子机制提供新的见解。1.2基于蛋白质和多肽的研究目前，治疗癌症的主要方法仍然是化疗法利用能够特异性靶向癌细胞的药物可以减少药物的负效应，提高癌症患者的治愈率。不同类型的纳米载体，如脂质体类、多聚纳米颗粒、嵌段共聚物胶团和树枝状高分子，常用于抗癌药物的靶向性释放。化学方法能够实现原子水平精确控制蛋白质的序列和结构，是获取特定修饰的生物体系难以表达的蛋白质的一种重要手段。当前使用最为广泛的技术是以硫酯为合成子的自然化学连接反应。然而，多肽硫酯因其高度的热不稳定性和反应活性而不容易采用目前最为广泛使用的Fmoc固相合成技术合成。利用烯胺的水解反应，基于所提出的溶液中分子内从N到S不可逆酰基迁移制备硫酯的策略，以多肽酰胺为底物，实现了Fmoc固相合成硫酯。基于酰肼能够在弱酸性条件下被亚硝酸转化为酰基叠氮的特征，以多肽酰肼为结构单元的合成蛋白质的多肽酰肼连接技术，结合保护基Tbeoc实现了全收敛酰肼连接制备蛋白质，并结合非天然氨基酸嵌入技术发展出蛋白质半合成的新策略。利用自主设计细胞荧光筛选体系，结合化学、分子生物学、生物化学、生物物理和现代波谱学等手段，发现一些特殊结构类型聚金属氧酸盐能够调控AD病变蛋白Aβ的聚集，抑制效果与聚金属氧酸盐的结构，所带电荷数及体积密切相关。最新研究发现，具有锌指结构的2个三螺旋金属超分子化合物能够有效地抑制Aβ聚集。进一步研究表明，这2个金属超分子化合物能够特定地结合在α/β-不一致伸缩区域，抑制Aβ的细胞毒性。体内研究表明，这些化合物可改善转基因小鼠模型的空间记忆障碍，并降低脑内不溶性Aβ的水平。同时，该化合物还能解聚已经形成的Aβ聚集体。这表明金属超分子化合物不仅可以预防早期AD的发生，还具有缓解AD的作用。这将为设计和筛选金属超分子化合物作为Aβ抑制剂提供新的途径。1.3糖化学生物学的研究发展糖化学生物学研究的新方法至关重要。将非天然糖包裹在靶向性脂质体内，并通过受体介导的细胞内吞，将非天然糖传输到特定的细胞内，进入细胞的非天然糖通过糖代谢途径修饰于细胞表面聚糖上，最后可通过生物正交反应进行成像和检测。此外，还有一种糖基转移酶快速鉴定的新方法。该方法结合了高通量基因克隆技术、无细胞蛋白表达技术、自组装单层糖芯片技术以及在线质谱分析技术，将7种糖基供体与近100种细胞外表达的糖基转移酶分别放到含有23种不同糖基受体的芯片上进行反应，反应后冲洗糖芯片并使用全自动的在线质谱检测系统分析结果，超过3万个的反应可在几天内完成。1.4核酸化学生物学的研究核酸不仅是遗传基因信息的载体，同时基因信息调控的正确与否与生命体的正常生理功能和健康与疾病有密切的联系。而且，机体受各因素影响发生基因变异到形态学或生理功能发生病变，是一个多阶段的改变累积过程。端粒DNA和端粒酶与人的寿命和癌症等疾病密切相关，已成为癌症治疗的特殊靶标。RNA干扰近年来一直被认为可用于新一代生物制药技术，各国政府及制药巨头投入巨大，但小核酸生物制药一直受到核酸稳定性、脱靶效应及给药性差等因素制约。利用普适性碱基对双链siRNA进行单点突变，可以极大提高RNA干扰中双链siRNA的链选择性，降低siRNA的脱靶效应。通过研究siRNA的体内不对称性选择机制而设计合成的超高效siRNA可以达到pmol/L级的RNA干扰活性。2化学生物学领域的部分国际研究热点和前沿以及我国科学家的贡献2.1以细胞信号转导为主线的化学生物学研究蓬勃发展在G蛋白偶联受体TGF-受体WntNFB等信号转导途径的分子机理及其与细胞增殖、分化、凋亡及迁移等生命活动的关系的化学生物学研究方面都取得了突破性的进展，涌现了若干高水平的研究成果。我国科学家也在急性髓系白血病(AML)细胞凋亡的机制和治疗手段。抑制TGFβ受体活性的小分子及机理研究、酸敏感离子通道的动力学行为和通道门控功能、干细胞多能性的维持机制及相应的诱导因子的发现等方面取得突破。2.2生物活性分子的合成方法取得进展在直接利用天然小分子探针的同时，科学家们还发展了高效的天然产物组合库合成方法，复杂天然糖缀合物及寡糖的化学合成方法，环肽及带有不同修饰基团的多肽的合成方法，利用合成生物学合成活性分子等。在合成生物活性小分子或生物大分子方面所取得的这些成果极大地推动了我国化学生物学的发展。2.3现代分析技术和方法在化学生物学研究中的重要性日益彰显各种原位、实时、高灵敏、高选择、高通量的新方法和新技术在国际上不断涌现，我国科学家对此也做出了巨大贡献。例如，在生物分子检测探针和生物传感器方面，发展了多种适合于实时检测活细胞中金属离子、自由基、活性氧等重要生物活性分子的光学探针，发展了细胞表面糖基和聚糖等的原位检测传感器。开发了基于化学抗体-核酸适配体的蛋白质、核酸检测新方法，药物小分子或小分子配体与蛋白质复合物结构和分子识别的质谱分析和光学检测等新方法。在单分子水平的分析检测方面，发展了能在活细胞状态监测蛋白质亚基组成和信号转导过程中蛋白质动态行为的单分子荧光成像法。分析蛋白质聚集状态的单分子荧光光谱法，以及能在细胞上实时检测配体-受体的作用力和复合物稳定性的单分子力谱法。2.4在时间与空间上对细胞内的分子过程与新陈代谢进行成像与控制的技术这些技术可为复杂生物学问题的解析提供重要的工具，是国际上的研究前沿与热点。我国科学家针对细胞代谢研究的技术瓶颈问题，发明了系列特异性检测核心代谢物NADH的基因编码荧光探针，实现了活细胞各亚细胞结构中对细胞代谢的动态检测与成像，不仅可为细胞、发育等基础研究提供创新方法，也为癌症和代谢类疾病的机制研究与创新药物发现提供了有力工具。在此基础上，利用合成生物学与化学生物学方法，开发出由光调控的转录因子和含有目的基因的转录单元构成的基因表达系统，为发育、神经生物学的复杂生物学问题解析提供有力研究工具。2.5计算化学和计算生物学取得明显进展计算化学与计算生物学在生命科学和药学研究中的应用在国际上受到了极大的关注。我国科学家较快地将计算化学和计算生物学应用于化学生物学研究，开展了不少开创性的研究和有特色的工作，取得了一些具有重要创新性的成果。其中，在以小分子为探针进行药物靶标预测和生物分子功能研究、生物分子模拟应用、生物网络和化学小分子对于生物系统的作用以及蛋白质设计等方面都取得了一些创新性成果。3化学生物学的展望化学生物学的基础是天然产物化学、生物有机化学和生物无机化学。我国由于有祖国医药的宝贵遗产，近20年来天然产物化学研究比较盛行，并且与中医中药研究结合十分紧密，生物活性物质研究已有了相当多的积累。近年来国内一些生物有机化学和生物无机化学实验室也已在生命起源，生物活性分子作用机理，核酶与抗体