近日，一篇刊登在國際雜志Nature Chemistry上題為“Selection of DNA-encoded chemical libraries against endogenous membrane proteins on live cells”的研究報告中，來自中國香港大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們通過研究開發(fā)了一種能夠靶向活細(xì)胞膜蛋白的新型藥物發(fā)現(xiàn)方法。

膜蛋白在生物學(xué)中扮演著非常重要的角色，其中很多膜蛋白都是醫(yī)藥行業(yè)正在深入挖掘探索的高價值藥物靶點(diǎn)，這項研究中，研究人員Li等人開發(fā)的新方法就能提供一種有效的途徑來發(fā)現(xiàn)新的膜蛋白配體和抑制劑，然而傳統(tǒng)方法在很大程度上仍然無法解決這些問題。細(xì)胞表面的膜蛋白擁有多種生物學(xué)功能，其抵御細(xì)胞和有機(jī)體的存活至關(guān)重要。毫不奇怪的是，許多人類疾病或許都與異常的膜蛋白功能有關(guān)，事實上，在FDA批準(zhǔn)的小分子藥物中，以膜蛋白為靶點(diǎn)的藥物就占到了60%以上，僅G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）超家族（最大的一類細(xì)胞表面受體），就在所有臨床藥物靶點(diǎn)中占到了34%的比例。

然而，盡管其意義重大，針對膜蛋白的藥物發(fā)現(xiàn)卻給科學(xué)家們帶來了不小的挑戰(zhàn)，這主要取決于其自然“棲息地”的特性，即細(xì)胞膜的特性；此外，膜蛋白也很難以離體的形式被科學(xué)家們進(jìn)行研究，因為離體往往會讓其失去必要的細(xì)胞特性，并有可能處于失活狀態(tài)；事實上，膜蛋白長期以來一直被認(rèn)為是醫(yī)藥行業(yè)的一種“不可藥用”的靶點(diǎn)。近些年來，DNA編碼化學(xué)文庫（DEL）的出現(xiàn)使其成為了一種非常強(qiáng)大的藥物篩選技術(shù)，為了進(jìn)一步簡化，研究人員以書庫（book library）為例，在圖書館中，每本書都有一個目錄號的索引，并對書架上的特定位置進(jìn)行空間編碼，類似地，在DEL中，每一種化合物都會被附加上一個獨(dú)特的DNA標(biāo)簽來作為目錄號，從而記錄該化合物的結(jié)構(gòu)信息；有了DNA編碼，所有文庫中的化合物都能夠同時針對靶點(diǎn)進(jìn)行混合和篩選，從而發(fā)現(xiàn)能夠調(diào)控靶點(diǎn)的生物學(xué)功能，比如一直在惡性癌癥中處于異常活性的特殊蛋白等；DELs包含了數(shù)量驚人的待測化合物（數(shù)十億甚至上萬億），DEL的篩選能在普通的化學(xué)實驗室中進(jìn)行，且僅需幾個小時；如今，DEL已經(jīng)被全球近乎所有大型的制藥行業(yè)所廣泛使用，然而，DEL也遇到了在活細(xì)胞上“審查”膜蛋白的重大困難。

要實現(xiàn)DEL在活細(xì)胞上的應(yīng)用，研究人員還需要克服兩個障礙，首先，細(xì)胞表面并不像氣球一樣呈現(xiàn)光滑的凸形結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，且含有數(shù)百種不同的生物學(xué)分子，因此，在細(xì)胞表面定位所需要地靶點(diǎn)就好像在茂密的熱帶森林中尋找一棵樹一樣，這項研究中，研究人員通過使用此前所開發(fā)的方法（即DNA編程親和標(biāo)簽技術(shù)，DPAL技術(shù)），克服了這個目標(biāo)特異性的問題。這種方法能利用基于DNA的探針系統(tǒng)，從而特異性地將DNA標(biāo)簽運(yùn)輸?shù)交罴?xì)胞上所需要的的蛋白質(zhì)處，同時DNA標(biāo)簽也能作為燈塔來引導(dǎo)目標(biāo)特異性地DEL篩查，換句話說，研究人員首先在靶點(diǎn)上安裝了一個追蹤器來實現(xiàn)篩選的特異性。

第二個挑戰(zhàn)就是靶點(diǎn)的豐度，通常情況下，膜蛋白以納摩爾至低微摩爾的濃度存在，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文庫中捕捉數(shù)十億非結(jié)合物中極小部分結(jié)合物所需要的的高微摩爾的濃度；為了解決這一問題，研究人員采用了一種新型策略，其能利用靶點(diǎn)蛋白的DNA標(biāo)簽和實際文庫中的互補(bǔ)序列，使文庫能夠與靶蛋白接近雜交，從而提升靶點(diǎn)蛋白的有效濃度；換句話說，這種追蹤器不僅可以幫助文庫定位靶點(diǎn)，還能產(chǎn)生一種吸引力使得文庫集中在靶點(diǎn)周圍，且不受非結(jié)合群體的干擾。

這項研究中，研究人員詳細(xì)描述了其方法的開發(fā)過程，同時他們還通過在活細(xì)胞上篩選針對葉酸受體（FR）碳酸酐酶12（CA-12）和表皮生長因子受體（EGFR）的3042萬個化合物庫，并證明了這種方法的通用性和性能，上述這些受體軍事抗癌藥物發(fā)現(xiàn)的重要靶點(diǎn)。研究者表示，這種方法或有望廣泛用于許多膜蛋白，比如經(jīng)典的藥物靶點(diǎn)：GPCRs和離子通道等，其可能會在活細(xì)胞中被重新審視，并通過利用DEL的強(qiáng)大力量來發(fā)現(xiàn)新的藥物。

研究者Xiaoyu Li說道，我們期望這種方法的實用性不僅限于藥物的發(fā)現(xiàn)，還可以在學(xué)術(shù)研究中用于探索具有挑戰(zhàn)性的生物性系統(tǒng)，比如寡聚膜蛋白復(fù)合體和細(xì)胞-細(xì)胞間的溝通等。這種方法有可能會借助DNA編碼化學(xué)文庫中的大量復(fù)雜化學(xué)多樣性的力量，來促進(jìn)膜蛋白的藥物發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)是一種表征配體-靶點(diǎn)相互作用的有效工具，未來或?qū)楦咄亢Y選方法的開發(fā)帶來新的啟示，從而促進(jìn)針對膜蛋白的配體的捕獲。

參考資料：

【1】Huang，Y.， Meng，L.， Nie，Q. et al. Selection of DNA-encoded chemical libraries against endogenous membrane proteins on live cells. Nat. Chem. 13， 77–88 (2021). doi：10.1038/s41557-020-00605-x

【2】Chemists and collaborators develop a new drug discovery strategy for "undruggable" drug targets

by The University of Hong Kong