DNA编码分子库为药物发明提供便利
时间:2017-12-07

  用于药物发现的DNA编码库,以方便 - 新闻 - 科学网

  随着DNA分子文库不断扩大,新的筛选方法不断发现未知生物学的领域,DNA编码文库将成为制药业开发新药的支柱之一。

  在马萨诸塞州沃尔瑟姆(Waltham)一个混凝土建筑的二楼,一个塑料透明盒被放置在一个普通的实验室冰箱的塑料箱里,里面装有天文比例的混合物。在这个图书馆里,有一大批由葛兰素史克公司(伦敦的制药公司)拥有的大量化合物,其中含有1万亿个独特的DNA标记分子,是银河系中恒星数量的10倍。

  这些图书馆正在帮助制药公司和生物技术公司快速鉴定与疾病有关的蛋白质,尤其是那些难以定位的蛋白质。与传统方法相比,他们更快,更便宜地进行筛选。科学家们也可以用它们来探索基本的生物学问题,研究酶,受体和细胞通路。

  药物研发通常始于研究人员组装大量化学物质库,然后测试其对目标的功效。将化合物单独加入到含有靶蛋白的孔中,看它们是否影响它们的活性。被称为高通量筛选(HTS),这种方法是自动化的,可以使用自动化设备测试数百万种化学物质,但仍然费力,昂贵,并不总是成功。

  在过去的几年中,药物化学家们试图用条形码DNA片段来标记化合物,增加了发现潜在有用化合物的机会。与传统小分子文库相比,这些编码DNA分子的文库提供了药物发现的所有便利。作为一个起点,研究人员不是单独测试每个化合物,而是将所有DNA标记的小分子放在一个混合物中,然后添加靶蛋白。在DNA条形码的帮助下,任何与目标蛋白结合的化合物都可以很容易地识别。

  大是美丽的

  目前,GSK拥有世界上最大的DNA编码分子库:比其200万个化合物的HTS库强50万倍。

  有几种方法可以构建DNA编码分子库:使用称为DNA记录的方法构建最大的分子库,如GSK。合成化学碱,如氨基酸,胺,羧酸,然后通过化学反应用独特的DNA条形码标记。将第二个碱基加入到混合物中以制备新的小分子,然后扩展DNA条形码。通过添加四种成分,化学家可以创建分子如药物。因为他们可以利用数以千计的基本组件,潜在的组合的数量是巨大的。

  与个别化学家测试的每种化合物的传统HTS分子文库相比,DNA编码文库更容易维护和使用。它可以存储在一个单独的管中,而HTS库需要充满机器人设备,并且足够大以分别容纳每种化合物。

  然而,葛兰素史克公司在Waltham的经理Chris Arico-Muendel解释说,DNA编码库的真正优势在于其能够合成出惊人的化学结构。对于难以发现的新蛋白质靶点,该公司的药物开发团队几乎与HTS分子文库一样频繁地使用DNA编码的分子文库,甚至没有它。迄今为止,最先进的化合物来自公司的DNA编码文库是GSK2256294。它阻断了一种被称为分解脂质的酶。候选药物来自葛兰素史克公司与普雷斯科特的合作伙伴关系,并完成了其在人体内的首个安全性研究,这些研究可能为进一步评估其在糖尿病和伤口愈合中的应用或作为慢性阻塞性肺病的治疗提供支持。对葛兰素史克DNA编码库的进展非常满意,Arico-Muendel说。

  量身定制

  其他生物技术公司增加了一些更有趣的东西。他们不仅使用DNA标记来鉴定化合物,还将其用作制备化合物的模板。哈佛大学化学家David Liu和他的学生发明了基于DNA的方法,并用它来创建一个称为大环的分子循环库。这些更稳定,更大的环形分子在多个位点与靶蛋白相互作用,增加了结合反应的特异性。

  刘先生首先创建了一个单链DNA模板作为指导。它们包括几个在化学基础上与DNA标记物互补的区域。然后,他又将DNA标记的基本成分添加到反应容器中,并依靠DNA碱基配对将标记的组分带到一起,以使它们足够接近以彼此结合。然后最终反应将链基本组分转化为环状形式,产生环状大分子,每个环大分子对应于独特的DNA条形码。

  建立一个分子DNA模板库涉及到大量的工作,因为研究人员必须为每个分子设计一个模板,并用数以千计的DNA基本元素进行标记。因此,基于DNA的分子文库比通过DNA记录产生的分子文库要小,但是它们仍然大规模地超越HTS分子文库并具有其他优点。由于科学家从一开始就知道他们正在生产哪种化合物,他们可以纯化基于DNA的分子文库,从而去除标记不准确的化合物。相反,由DNA记录产生的巨大分子库仍可能含有被错误标记的化合物,因此研究人员可能不得不浪费时间进行药物筛选。

  刘建立了一个强大的分子库,含有14000个分子,取得了一些成功。 2014年,他的团队宣布发现阻断与2型糖尿病相关的胰岛素降解酶(IDE)的特异性稳定小分子,从而解决了研究人员数十年来一直试图破解的问题。刘等人已经开始阐明IDE在健康和疾病中的作用,正在讨论将其发展成为药物。

  甜蜜的选择

  一旦分子库建立起来,就会开始识别哪个分子结合到目标蛋白上。大多数研究人员依靠亲和力筛选这些化合物。要做到这一点,他们将转换目标蛋白质包括一个净化标签。随后,他们使用净化标签,配对成对提取。最后一步是使用DNA测序仪读取与小分子相关的DNA标签。

  即使目标蛋白质的量少,也可以收获该方法。根据Arico-Muendel的研究,在一个项目中,学术合作者想要筛选只产生微量的不稳定蛋白质。他们飞了一夜,用干冰运到那里。我们一次做完了。实际上,他说有一些非常好的候选药物。对于HTS,这样的实验是不可能的,因为在实验开始之前,目标蛋白质必须是稳定的并且足够丰富以被添加到数百万个孔中。

  但亲和力筛选也有短板。难处理的DNA标签有时会干扰靶蛋白,一些潜在的候选药物可能会丢失。但是,由于DNA编码文库的大小,筛选通常不关心这些损失。更大的问题是小分子及其标签可以结合到纯化柱上并产生假阳性候选物。标签的纯化也会影响目标蛋白的结构,导致数据混乱。

  有些团队已经想出了解决问题的方法。 Vipergen是一家生物技术公司,在DNA模板上建立了5000万个分子库。该公司已经寄希望于胶水浓缩战略。

  该公司首席执行官尼尔斯·汉森(Nils Hansen)说,想象一下,将蛋白质分子的混合物冻结成超小的立方体,如果冰块足够小,每个只含有一个靶子,在这个尺度上,即使没有纯化策略,结合到靶标上的小分子的比例也会继续增加,Vipergen通过在水和油乳化剂中筛选获得了相同的结果,其中最小的水滴代替冰块,这是很酷的。汉森说。

  专家认为,随着DNA编码分子库不断扩大,新的筛选方法不断发现未知生物学领域,DNA编码文库将成为制药业在新药开发中的支柱之一。宗华)

  中国科学通报(2016-04-05第三版国际)

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  自然报告(英文)