近日，一篇刊登在國際雜誌Nature Chemistry上題為「Selection of DNA-encoded chemical libraries against endogenous membrane proteins on live cells」的研究報告中，來自中國香港大學等機構的科學家們通過研究開發了一種能夠靶向活細胞膜蛋白的新型藥物發現方法。
膜蛋白在生物學中扮演著非常重要的角色，其中很多膜蛋白都是醫藥行業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等人開發的新方法就能提供一種有效的途徑來發現新的膜蛋白配體和抑制劑，然而傳統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功能，其抵禦細胞和有機體的存活至關重要。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，事實上，在FDA批准的小分子藥物中，以膜蛋白為靶點的藥物就佔到了60%以上，僅G蛋白偶聯受體（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佔到了34%的比例。
然而，儘管其意義重大，針對膜蛋白的藥物發現卻給科學家們帶來了不小的挑戰，這主要取決於其自然「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家們進行研究，因為離體往往會讓其失去必要的細胞特性，並有可能處於失活狀態；事實上，膜蛋白長期以來一直被認為是醫藥行業的一種「不可藥用」的靶點。近些年來，DNA編碼化學文庫（DEL）的出現使其成為了一種非常強大的藥物篩選技術，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，並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標籤來作為目錄號，從而記錄該化合物的結構信息；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，從而發現能夠調控靶點的生物學功能，比如一直在惡性癌症中處於異常活性的特殊蛋白等；DELs包含了數量驚人的待測化合物（數十億甚至上萬億），DEL的篩選能在普通的化學實驗室中進行，且僅需幾個小時；如今，DEL已經被全球近乎所有大型的製藥行業所廣泛使用，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DEL在活細胞上的應用，研究人員還需要克服兩個障礙，首先，細胞表面並不像氣球一樣呈現光滑的凸形結構，其拓撲結構極其複雜，且含有數百種不同的生物學分子，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的方法（即DNA編程親和標籤技術，DPAL技術），克服了這個目標特異性的問題。這種方法能利用基於DNA的探針系統，從而特異性地將DNA標籤運輸到活細胞上所需要的的蛋白質處，同時DNA標籤也能作為燈塔來引導目標特異性地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篩選的特異性。
第二個挑戰就是靶點的豐度，通常情況下，膜蛋白以納摩爾至低微摩爾的濃度存在，這遠遠低於文庫中捕捉數十億非結合物中極小部分結合物所需要的的高微摩爾的濃度；為了解決這一問題，研究人員採用了一種新型策略，其能利用靶點蛋白的DNA標籤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，還能產生一種吸引力使得文庫集中在靶點周圍，且不受非結合群體的幹擾。
這項研究中，研究人員詳細描述了其方法的開發過程，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，並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現的重要靶點。研究者表示，這種方法或有望廣泛用於許多膜蛋白，比如經典的藥物靶點：GPCRs和離子通道等，其可能會在活細胞中被重新審視，並通過利用DEL的強大力量來發現新的藥物。
研究者Xiaoyu Li說道，我們期望這種方法的實用性不僅限於藥物的發現，還可以在學術研究中用於探索具有挑戰性的生物性系統，比如寡聚膜蛋白複合體和細胞-細胞間的溝通等。這種方法有可能會藉助DNA編碼化學文庫中的大量複雜化學多樣性的力量，來促進膜蛋白的藥物發現，該技術是一種表徵配體-靶點相互作用的有效工具，未來或將為高通量篩選方法的開發帶來新的啟示，從而促進針對膜蛋白的配體的捕獲。
參考資料：
【1】Huang，Y.， Meng，L.， Nie，Q. et al. Selection of DNA-encoded chemical libraries against endogenous membrane proteins on live cells. Nat. Chem. 13， 77–88 (2021). doi：10.1038/s41557-020-00605-x
【2】Chemists and collaborators develop a new drug discovery strategy for "undruggable" drug targets
by The University of Hong Kong
來源：生物谷