重庆大学Nature Chem.：大环分子+DNA编码分子库，药物研发新助力

DNA编码分子库（DNA-encoded chemical libraries）作为一项新型的药物研发手段，将化学合成与基因编码策略有机地结合起来，能高效构建大超大规模分子库（10¹²个化合物），进行针对疾病相关靶标的高通量筛选。^[1] 最近几年，随着DNA兼容化学反应的不断进步，这类被称为“扫条码，找新药”的技术发展迅速，被多家制药公司用于新药研发，获得了一系列先导化合物。^[2] 在学术界，一系列优秀成果推动着DNA编码分子库技术的进步，其中包含了我国研究人员的工作，例如：香港大学李笑宇教授研究团队^[3]、中国科学院上海药物所陆晓杰研究员团队等^[4]。

当前，多数DNA编码分子库遵循小分子药物设计的Lipinski成药原则并在针对诸多靶标蛋白的筛选中获得了成功，但这些靶标通常都含有明确可靶位点或小分子底物结合位点，例如激酶、蛋白酶、水解酶、磷酸酶等。这类分子库依旧很难用于靶向表面平坦、作用面积大的疾病靶标，例如被认为小分子“难成药”的蛋白相互作用靶标。大环分子，因其能够和蛋白表面的广泛区域进行结合，被认为是靶向蛋白相互作用的优势结构。^[5] 如果将大环分子和DNA编码分子库结合起来，将为新药研发带来新的驱动力。^[6,7]

近日，重庆大学药学院李亦舟研究员（点击查看介绍）和瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）Dario Neri教授（点击查看介绍）实验室合作，实现了基于恒定大环骨架的DNA编码分子库的合成与筛选。相关工作发表在Nature Chemistry  杂志上，重庆大学为第一完成单位，李亦舟研究员为第一作者并与Jörg Scheuermann博士和Dario Neri教授为共同通讯作者。

在该研究中，研究团队使用一个恒定β-折叠大环结构作为DNA编码分子库的骨架。该大环骨架由十个氨基酸残基组成，包含两条反平行β-折叠和两个Gly-Pro构成的β-转角结构。由于两条反平行β-折叠支撑，三个多样化位点指向折叠平面同一侧。该骨架的空间取向性有利于多样化模块与靶标蛋白形成大作用面，并能促进模块间产生协同效应，提高亲和力及选择性。通过3轮“拆分与合并”策略的DNA编码化学反应，对该恒定大环结构骨架进行多样化衍生，合成了包含35,393,112个成员的分子库（图1）。

图1. 大环分子库合成。图片来源：Nat. Chem.

针对不同靶标蛋白，研究团队筛选该DNA编码大环分子库，获得了多样化的特异性大环配体。这些靶标包括碳酸酐酶IX（carbonic anhydrase IX）、辣根过氧化物酶（horseradish peroxidase）、端粒聚合酶1（tankyrase 1）、人血清蛋白（human serum albumin）、α1酸性糖蛋白（alpha-1 acid glycoprotein）、钙调蛋白（calmodulin）、前列腺特异抗原（prostate specific antigen）和肿瘤凋亡因子（tumor necrosis factor）。该研究结果表明，即使是针对像肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor）这样被认为小分子“难成药”的靶标，通过合理的大环结构骨架设计，也能够实现从同一DNA编码分子库中获得与不同蛋白靶标对应的活性化合物。

研究团队进一步对筛选所获得的大环配体的功能化应用进行了探索。研究表明，对含有前列腺特异抗原的组织进行免疫荧光染色，相应的大环配体能够获得与商业化抗体相同的效果。在对皮下移植瘤裸鼠进行体内分布研究中，研究团队发现连接近红外成像染料的大环配体能有效靶向表达碳酸酐酶IX的肿瘤组织（图2）。

图2. 大环配体的功能化应用。图片来源：Nat. Chem.

此外，利用分子库中恒定大环骨架的结构特定，研究团队进一步将靶向钙调蛋白的大环配体发展成为光交联探针，并证明了该探针具有靶标选择性（图3）。

图3. 特异性分子探针。图片来源：Nat. Chem.

——总结——

李亦舟研究员与合作研究团队发展了基于恒定大环骨架的DNA编码分子库的合成与筛选技术。尽管所获的配体在亲和力方面存在局限（通常在µM级别），但通过对DNA编码大环分子库的进一步设计，研究人员有望解决一些传统药物研发的难题，甚至挑战目前药物化学较难实现的蛋白相互作用靶标。该工作受到ETH、瑞士自然科学基金（SNSF）、欧洲研究协会（ERC）和重庆大学“百人计划”计划启动经费的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Versatile protein recognition by the encoded display of multiple chemical elements on a constant macrocyclic scaffold

Nat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0017-8

导师介绍

李亦舟

http://www.x-mol.com/university/faculty/48533

Dario Neri

http://www.x-mol.com/university/faculty/2785

参考文献：

[1] Lerner, R. A. & Brenner, S. DNA-Encoded Compound Libraries as Open Source: A Powerful Pathway to New Drugs. Angew. Chem. Int. Ed., 56, 1164-1165 (2017).

[2] Mullard, A. DNA Tags Help the Hunt for Drugs. Nature, 530, 367-369 (2016).

[3] Shi, B., Zhou, Y., Huang, Y., Zhang, J., & Li, X. Recent Advances on the encoding and selection methods of DNA-Encoded Chemical Library. Bioorganic Med. Chem. Lett., 27, 361-369 (2017).

[4] Lu, X., Fan, L., Phelps, C., Davie, C., & Donahue, C. Ruthenium Promoted On-DNA Ring-Closing Metathesis and Cross-Metathesis. Bioconjugate Chemistry, 28, 1625-1629 (2017).

[5] Gao, M., Cheng, K. & Yin, H. Targeting Protein-Protein Interaction Interfaces Using Macrocyclic Peptides. Biopolymers, 104, 310-316 (2015).

[6] Maianti, J. P. et al. Anti-Diabetic Activity of Isulin-Degrading Enzyme Inhibitors Mediated by Multiple Hormones. Nature, 511, 94-98 (2014).

[7] Zhu, Z. et al. Design and Application of a DNA-Encoded Macrocyclic Peptide Library. ACS Chem. Biol., 13, 53-59 (2018).