化学基因组学和化学蛋白质组学

张爱英 10689524 基础医学院医学遗传学系

化学基因组学和化学蛋白质组学

Chemogenomics and Chemical Proteomics

[Abstract] Chemogenomics can be defined as a genomic response to chemical compounds. The goal is the rapid identification of novel drugs and drug targets embracing multiple early phase drug discovery technologies ranging from target identification and validation, over compound design and chemical synthesis to biological testing and ADME profiling. Chemical Proteomics is the use of chemical probes to study protein function and mechanism in a systems-based manner. Chemogenomics aims towards the systematic identification of small molecules that interact with the products of the genome and modulate their biological function. Chemical proteomics allows us to identify protein interactors of active small molecules.

[摘要]化学基因组学可以简单的定义为基因组与化合物之间的反应。它指的是能够快速鉴定新药物和药物靶点，包括早期的药物发现工艺如靶点的鉴定和确认，化合物的设计和化学合成，生物检测。

化学蛋白质组学识应用化学探针在人工控制系统的操作下去研究蛋白质的功能和机制。化学基因组学的目标是与基因的转录产物相互作用的小分子化合物，这些化合物可以与基因的转录产物相互作用，并可以调节基因产物的功能。化学蛋白质组学的目标是与蛋白质相互作用的小分子化合物。

化学基因组学和化学蛋白质组学

化学基因组学(chemogenomics) ,作为后基因组时代的新技术,是联系基因组和新药研究的桥梁和纽带。它指的是使用对确定的靶标蛋白高度专一的小分子化合物来进行基因功能分析和发现新的药物先导化合物[1 ] 。化学基因组学是在化学配基的合成、筛选和确认的精密技术快速发展的背景下产生的，整合了组合化学、基因组学、蛋白质组学、分子生物学、药物学等领域的相关技术,采用具有生物活性的化学小分子配体作为探针,研究与人类疾病密切相关的基因、蛋白质的生物功能,同时为新药开发提供具有高亲和性的药物先导化合物。

化学基因组学示意图

化学基因组学是后基因组学时代药物发现的新模式,将极大加快制药工业的发展。化学基因组学药物发现模式的一般程序包括靶点发现、高通量筛选、组合化学合成、生物学功能测试等。

化学蛋白质组学的主要任务在于发展和应用有生物活性的靶向探针,用于复杂的蛋白质组中的特异性酶家族的功能研究。一方面,这些化学探针可与目标酶特异性结合,便于鉴定和/ 或纯化;另一方面,又可共价修饰于目标酶家族或亚家族,寻找机能或功能差异的酶[2] 。随着化学蛋白质组学的进一步发展,化学探针在蛋白质组学领域的应用正在逐步凸现,在靶点鉴别、验证和新药开发的进程中显示出巨大的潜力。

化学蛋白质组学原理示意图

化学基因组学和化学蛋白质组学技术

高通量筛选(HTS) 是20 世纪后期发展起来的一项新技术,具有快速、高特异性、高灵敏度的特点。化学基因组学策略允许用大量不同的化合物平行处理多个基因组靶标,大大优化了药物的研究开发。利用基因组信息和改进的HTS 体系(即将HTS 过程置于整个研究的上游阶段) 可以平行鉴定多个靶标的先导化合物。HTS 正是顺应靶基因、靶蛋白及生物活性小分子多样性的特点发展起来的,是化学基因组学技术平台的关键技术,为药物发现提供了新的途径,提高了药物筛选速度[3] 。例如利用功能超高通量筛选(uHTS) 鉴定出的肾上腺素G蛋白偶联受体(GPCR) 靶标的先导化合物的化学空间物理常数,与MDL 药物数据库(MDDR) 中调节同一靶标的已知化合物的参数进行比较,显示新的先导化合物在化学空间上与以往的调节剂有所不同,同时显示新的靶标作用,它给出了药物发现和靶标确证的唯一可选择的先导化合物结构。

组合化学(combinatorial chemistry) ,可以通过可靠的化学反应系统合成大量的有机分子。根据同一种受体大分子的三维结构可设计出不同的先导化合物,每一个先导化合物可以作为一种母核( scaffold), 然后对母核进行结构改造,用不同的基团和分子碎片由母核的不同部位向受体的不同方位“延伸”,这样可得到不同的化合物[4] 。不同的母核和结构碎片所建立的一系列分子对应于组合样品库,就可以建立一个虚拟组合样品库。在药物筛选过程中,不同分子结构的样品库,可

用于不同疾病、不同模型的筛选。组合化学为高通量筛选提供了物质基础,扩大了药物筛选的范围,适应了化学基因组学快速筛选的要求。组合化学和高通量筛选技术的有机结合, 促进了新药开发领域的发展,已经成为新药发现和开发过程中的核心技术。

生物信息学是在信息科学、计算机技术和网络技术高速发展的背景下产生的,运用数学、生物学和信息学对生物信息、医学信息进行提取、分析、归纳和存储的科学。在新药的靶点发现、药物的筛选、临床研究等环节都与生物信息学有着密切的联系。基因组学、蛋白组学、高通量筛选和组合化学等技术在新药研究中应用,积累了大量不同的化学和生物学信息[5] 。生物信息学利用科学的原理和方法通过测量得到的化学成分的相关信息,如物质的物理和化学性质,物质中各成分的定性、定量以及结构信息,分子间的相互作用信息(包括化学反应信息) 等,对生物信息进行表示、管理、分析、模拟和传播,实现生物信息的提取、转化与共享,并实现不同学科的广泛交流,避免重复研究。同时,生物信息学为组合化学的分子设计和组合化学库的建立提供了生物信息,比如功能蛋白质的结构信息等,使化合物库的建立更有目的性,提高药物筛选的成功率。

其他新技术

在化学基因组学的研究中，各种新技术层出不穷，如毛细管电泳技术、原子力显微镜技术、差式扫描量热技术等等。这些新技术为化学基因组学和化学蛋白质组学的发展提供了强有力的技术支持，极大的促进了学科的进展。

化学基因组学和化学蛋白质组学在药物开发中的应用

化学基因组学是以小分子配基的合成为背景产生的。小分子配体由于分子体积小可以自由进入细胞内部,并与靶蛋白具有特异性的亲和作用,这些特点使得小分子配体广泛应用于与药物靶点相关的基因表达谱、蛋白质表达谱和基因相互作用的全功能分析等。新的合成化学(例如组合化学) ,基于结构的化学配基设计,小化合物和蛋白质显微阵列等一些新的方法和技术加速了许多化学配基的发现以及加强了医学、生物学的研究。现在各研究机构投入很大精力致力于使用化学物质作为探针来确认药物靶标。

Fenteany[6 ] 等用小分子化合物lactacystin 作为探针, 发

现proteasome 存在于多种生物代谢过程, 如抗原显示、细胞循环调控以及决定细胞存亡等过程中, 从而使proteasome 作为actacystin 的药物靶标得到确认。同样, 使用小分子探针rapamycin 确认了一系列依赖TOR 的细胞因子(TOR - dependent cellular factor) , 例如TOR 的关键调节因子核糖体S6 激酶给出信号对哺乳类动物细胞进行翻译调控,Gln3作为TOR 的调节因子之一, 能够在酵母的氮感

(nitrogen sensing) 和转录调控过程中发出信号。基因组中关于孤儿核受体(orphan nuclear receptor) 的信息很少,而且没有已知配体,无法进行竞争结合实验。化学基因组学则可用于孤儿核受体在胆酸代谢过程中的功能分析。Willson 等在前人工作的基础上设计了1 ,2 - 二苯乙烯羧酸的固相组合合成,确认了胆汁酸孤儿核受体FXR (farne - soid Xreceptor ) 的一个非甾族类配基[7 ] : GW 4064, 它

是一个FXR 强效的完全激活剂, EC50 为80nmolPL ,且对其它受体无

活性。

抗生素筛选的一般过程示意图

化学蛋白质组学在新药的开发中的应用越来越广，化学探针在靶点的鉴别和确认以及药效研究中起着关键的作用。

靶点的鉴别和确认 化学探针提供了一种方法,逐渐将工作的重点从鉴定新靶点转移到寻找更易于确认和用于新药开发的靶点,因此增加了成功的可能性。采用靶点鉴别的方法,初筛出易被小分子药物抑制的蛋白质,作为药物靶点。化学探针不仅可用于早期疾病模型的筛选,也可在初期靶点的确认试验中应用;更可用于整体或细胞水平的验证。另外,反应基团和化学探针的特异性成分可作为设计小分子抑制剂的结构基础。

化学探针已被用于鉴别诸如凋亡[8] 、白内障形成[9]和疟疾传

染[10]等生理和病理过程中半胱氨酸蛋白酶的状况。另有一些探针用于绘制涉及癌细胞扩散及浸润的酶谱[11] 。在以上情况下,将复杂的病理改变归结为一种或多种酶的变化,便于进行生化学研究。化学探针加速了发现新型药物作用靶点的进程。近来的研究表明,483 种已知的药物作用靶点中,仅122 种找到了便于口服的并具有治疗作用的小分子抑制剂。几乎过半的酶具有与化学探针反应的潜力。同时,这些研究指出,尚有10 倍之多的药物作用靶点未被发现[12] 。化学蛋白质组学在这方面具有巨大的潜力,可通过设计、合成和应用相关的探针,迅速、系统和全面地找寻这些靶点。就现有的化学探针而言,多以半胱氨酸蛋白酶家族和丝氨酸水解酶家族为靶点。但半胱氨酸蛋白酶家族在人蛋白质组中仅占小部分,限制了该类探针对新靶点的鉴别。与此相对,近1 %的人类基因编码后一类酶家族的成员,故而以丝氨酸水解酶家族为靶点的探针具有更大的使用范围。除了化学探针的数目在不断增长,许多机制型抑制剂或亲和标记试剂的出现,将有助于发展出新类型的探针。在主要的几类可用于药物开发的酶中,蛋白激酶和蛋白磷酸化酶是化学蛋白质组学最常用的两种酶。这些酶是细胞信号转导及代谢的关键调节因素,作为潜在的药物靶点应当受到更多的关注。就目前情况而言,化学蛋白质组学可能会在蛋白激酶家族的研究中有所突破。该家族有500 多成员,具有差异的底物和不同的细胞功能。因此,不可能发展出一种化学探针能作用于激酶家族的全体成员。更确切地说,需要寻找更多的具有亚类特异性的探针。值得注意的是,除核苷酸类似物5′2 荧光磺酸苯基腺苷(5′2 FSBA) 已

被广泛应用于核苷酸结合酶的活性位点的鉴别外,尚无其他作用于激酶的化学探针的报道。然而,已找到内皮生长因子受体(EGFR) 激酶和磷脂酰肌醇23 ( PI3) 激酶的共价抑制剂[13] 。但尚不清楚这些反应基团,能否用于设计相应的激酶家族的特异性化学探针。蛋白磷脂酶涉及多种细胞信号转导过程,故而可作为筛选药物的靶点。有报道提及双荧光苯甲酚和环乙酸苯可用作磷酸化的酪氨酸仿形物,共价修 饰磷脂酶。但此类探针存在的一大问题,即与磷脂酶结合的低特异性,不能检测复杂的蛋白质组中的低丰度蛋白质。若改进探针的链接区或反应基团上的特异性成分,则可能有助于该问题的解决。

药效研究 化学探针亦可用于药效研究。通过分析候选药物和化学探针之间简单的竞争结合,鉴别出复杂的蛋白质组中药物靶点。同时,可利用更贴近生理条件的天然酶,验证候选药物的功效。此外,可采用相关的组织样本,分析候选药物抑制特异性靶点的能力。可利用化学探针在纯化的蛋白质、细胞裂解物、活细胞和活动物等不同水平,评价药物作用强度和选择性。

化学蛋白质组学是一个多学科交叉的领域,很大程度上提升了我们对生物学和药物发展的理解。共价结合于目标蛋白质、便于纯化和鉴定的化学探针,无疑是该领域最为重要的工具。一方面,可鉴别与不同疾病相关的新型药物靶点;另一方面可用于药物先导化合物的快速鉴定,从而加快候选化合物应用于临床的进程。

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