DNA编码分子库为药物发明提供便利

扫“条码” 找新药 DNA编码分子库为药物发明提供便利

图片来源：KTSDESIGN

随着DNA编码分子库持续扩大以及新的筛选方法不断开拓未知生物学领域，DNA编码分子库将成为制药行业研发新药的支柱之一。

在美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市一座混凝土建筑的二楼，一台普通实验室冰箱的塑料盒子里放着一根透明试管，里面则含有天文数字尺度的混合物。这个分子库里冷冻的是由总部位于英国伦敦的制药公司——葛兰素史克（GSK）所属的一大批化合物，其中含有1万亿个独特的DNA标记分子，而这是银河系恒星数量的10倍。

此类分子库正帮助制药公司和生物技术企业快速鉴定能“缠住”同疾病相关的蛋白，尤其是那些证实很难被靶向蛋白的候选药物。和传统方法相比，它们使得筛选工作更加迅速和廉价地展开。科学家还能利用它们探寻基本的生物学问题，并且研究酶、受体和细胞通路。

药物发现通常从研究人员组装大的化学物质分子库开始，并在随后测试它们对靶点的效力。化合物被单个地添加到含有靶蛋白的“井”中，以观察它们是否影响其活性。这种被称为高通量筛选（HTS）的方法是自动化的，可利用自动设备测试上百万种化学物质，但它仍然很费劲，成本颇高，而且并非总是能成功。

过去几年里，药物化学家尝试用条形码一样的DNA片段标记化合物，以此增加寻找潜在有用化合物的几率。这些使传统小分子库相形见绌的DNA编码分子库，为药物发明提供了所有的便利。作为开始，研究人员无须单独测试每个化合物，而是把所有DNA标记的小分子放入单一的混合物中，并在随后加入靶蛋白。在DNA条形码的帮助下，同靶蛋白绑定的任何化合物都能被轻易地鉴定出来。

大即是美

目前，GSK拥有全球最大的DNA编码分子库：比其拥有200万种化合物的HTS分子库大50万倍。

建造DNA编码分子库有若干种方法：像GSK一样的最大分子库是利用一种名为“DNA记录”的方法建成的。诸如氨基酸、胺类、羧酸等化学基本成分是合成的，然后通过化学反应被一个独特的DNA条形码标记出来。第二种基本成分被添加到混合物中，以制造一种新的小分子，随后DNA条形码被延长。通过加入4种成分，化学家能创建像药物一样的分子。由于他们能利用上千种基本成分，因此潜在组合的数量是巨大的。

同化学家不得不单独测试每种化合物的传统HTS分子库相比，DNA编码分子库更容易维护和使用。它能被存放在一个单独的试管中，而HTS分子库需要布满自动装置且大到足以将每种化合物单独存放的设备。

不过，在沃尔瑟姆工作的GSK经理Chris Arico-Muendel介绍说，DNA编码分子库的真正之美在于它能合成数量惊人的化学结构。对于很难寻找的新蛋白标靶，该公司药物研发团队利用DNA编码分子库的频率即使没有超过HTS分子库，也和后者差不多。迄今为止，源自该公司DNA编码分子库的最先进化合物是GSK2256294。它能阻断一种涉及分解脂类的酶——环氧化物酶。这种候选药物出自GSK同普雷西斯公司的合作，并且完成了首次在人体中进行的安全研究。这些研究或许为进一步评估其在糖尿病、伤口愈合中的使用，或者作为慢性阻塞性肺疾病的治疗方法提供给了支持。“我们对DNA编码分子库在GSK内部的进展非常满意。”Arico-Muendel表示。

量身定制

其他生物技术公司添加了一些更有趣的内容。它们不仅利用DNA标记鉴别化合物，还将其作为制造化合物的模板。哈佛大学化学家David Liu和他的学生发明了这种“以DNA为模板”的方法，并利用它建造了被称为大环化合物的环状分子库。这些更加稳定的较大环形分子在多个位点同靶蛋白发生相互作用，从而提高了结合反应的特异性。

Liu首先创建了充当向导的单链DNA模板。它们包括了同化学基本成分上的DNA标记互补的若干区域。随后，他依次将DNA标记的基本成分添加到反应容器中，并且依靠DNA碱基配对，将被标记的成分聚集起来，使其近到足以相互结合在一起。随后，最终的反应会将链状基本成分转变成环状，从而产生每个均对应独特DNA条形码的环形大分子。

构建以DNA为模板的分子库涉及巨大的工作量，因为研究人员必须为每个分子设计一个模板，并且用DNA为上千种基本成分作标记。因此，以DNA为模板的分子库要比DNA记录法产生的分子库小，但从规模上来说，它们仍然超越了HTS分子库，并且拥有其他优势。由于科学家从一开始便知道产生的是何种化合物，因此他们能纯化以DNA为模板的分子库，从而移除那些标记不准确的化合物。相比之下，DNA记录法产生的巨大分子库可能仍然含有被错误标记的化合物，并由此可能导致研究人员在药物筛选上白费力气。

Liu创建的强大分子库包含1.4万个分子，并且已经取得了一些成功。2014年，他的团队宣称发现了能阻断同Ⅱ型糖尿病相关的胰岛素降解酶（IDE）的特异、稳定小分子，并由此解决了几十年来研究人员一直在努力破解的问题。Liu和其他人已开始阐明IDE在健康和疾病中扮演的角色，将它们开发成药物的讨论也正在进行中。

甜蜜的筛选

一旦分子库被建立起来，鉴定哪种分子能结合靶蛋白的乐趣便开始了。大多数研究人员依赖于“亲和筛选”发现这些化合物。为实现这一点，他们会改造靶蛋白，将一种纯化标签包括进来。随后，他们利用纯化标签，将结合在一起的配对提取出来。最后一步是利用DNA测序仪，读取同小分子存在关联的DNA标签。

即便靶蛋白数量很少，这种方法也能有所收获。据Arico-Muendel回忆，在一个项目中，学术合作者想筛选一种只能极少量产生的不稳定蛋白。“他们连夜乘飞机，用干冰将其运送到这里。我们马上对其进行了全部筛选。”他说，“事实上，这产生了一些真正不错的候选药物。”对于HTS来说，此类试验是不可能的，因为靶蛋白必须足够稳定和丰富，以便在试验开始前被添加到上百万个“井”里。

不过，“亲和筛选”也有短板。笨重的DNA标签有时会妨碍和靶蛋白的反应，一些潜在的候选药物可能就此失去。然而，由于DNA编码分子库很大，以至于筛选者通常不会太过关心这些损失。更大的问题是，小分子及其标签能和纯化柱结合，并且产生假阳性候选药物。纯化标签还会影响靶蛋白的结构，从而导致数据上的混乱。

一些团队已提出了解决该问题的方法。Vipergen是一家生物技术企业，其利用DNA模板法建立的分子库拥有5000万个分子。该公司已将希望放在一种“粘合剂陷阱浓缩”策略上。

该公司首席执行官Nils Hansen介绍说，想象一下，你把蛋白分子库的混合物冻结起来，并将其切成超级小的冰块。如果冰块足够小，每个将仅含有单一的靶点。在这个尺度上，即便不采取纯化策略，同靶点相结合的小分子比例也将持续增加。Vipergen已通过在水油乳化剂中开展筛选工作，达到了同样的效果。其中，极小的水滴代替了冰块。“这很酷。”Hansen表示。

在专家看来，随着DNA编码分子库持续扩大以及新的筛选方法不断开拓未知生物学领域，DNA编码分子库将成为制药行业研发新药的支柱之一。