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)等機構(gòu)的科學(xué)家們通過研究開發(fā)了一種能夠靶向活細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，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。細胞表面的膜蛋白擁有多種生物學(xué)功能，其抵御細胞和有機體的存活至關(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（最大的一類細胞表面受體），就在所有臨床藥物靶點中占到了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)家們進行研究，因為離體往往會讓其失去必要的細胞特性，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為是醫(yī)藥行業(yè)的一種“不可藥用”的靶點。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大的藥物篩選技術(shù)，為了進一步簡化，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進行混合和篩選，從而發(fā)現(xiàn)能夠調(diào)控靶點的生物學(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也遇到了在活細胞上“審查”膜蛋白的重大困難。

要實現(xiàn)DEL在活細胞上的應(yīng)用，研究人員還需要克服兩個障礙，首先，細胞表面并不像氣球一樣呈現(xiàn)光滑的凸形結(jié)構(gòu)，其拓撲結(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，在細胞表面定位所需要地靶點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)簽運輸?shù)交罴毎纤枰牡牡鞍踪|(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，這遠遠低于文庫中捕捉數(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，其能利用靶點蛋白的DNA標(biāo)簽和實際文庫中的互補序列，使文庫能夠與靶蛋白接近雜交，從而提升靶點蛋白的有效濃度；換句話說，這種追蹤器不僅可以幫助文庫定位靶點，還能產(chǎn)生一種吸引力使得文庫集中在靶點周圍，且不受非結(jié)合群體的干擾。

這項研究中，研究人員詳細描述了其方法的開發(fā)過程，同時他們還通過在活細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。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：GPCRs和離子通道等，其可能會在活細胞中被重新審視，并通過利用DEL的強大力量來發(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)合體和細胞-細胞間的溝通等。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，來促進膜蛋白的藥物發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)是一種表征配體-靶點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，從而促進針對膜蛋白的配體的捕獲。