DNA编码分子库为药物发明提供前所未有的便利

　　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在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，以观察它们影不影响其活性。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。

　　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。因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储放置的设备。

　　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。

　　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。这些更稳定的较大环形分子在多个位点同靶蛋白发生相互作用，来提升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，由此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，因为研究人员一定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，并由此可能会引起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。

　　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，因为靶蛋白必须充足稳定和丰富，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，因此导致数据上的混乱。

　　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。（宗华）