導讀：藥物研發一直是個繁瑣的過程，化學家們需要篩選千百種化學分子，才可能找出有效的藥物。DNA技術可以大大加快這一過程。過去幾年來，藥物化學家通過用DNA標記化學分子，形成分子的二維碼，從而提高藥物研發成功率。

　　麻省沃爾瑟姆市(Waltham, Massachusetts)的一座鋼筋混泥土建筑的二樓，一個實驗室冰箱里的塑料盒中，包含著無數種化學分子。這些分子是葛蘭素史克制藥公司(GlaxoSmithKline，GSK)合成的帶DNA標簽的分子，數目達到萬億種——這是銀河系恒星數目的10倍。

　　各大制藥公司和生物工程公司都在采用這種DNA編碼分子庫來迅速篩選能與疾病相關蛋白結合的分子，尤其是能與那些目前難以靶向的蛋白結合的藥物。這種篩選方法比傳統篩藥方式更迅速，更便宜?；A科學研究者也可以使用這種方法來探索基本生物學問題，研究酶、受體和細胞通路。

　　藥物研發的起始步驟往往是：研究人員合成大量化學分子，然后測試這些分子對目標蛋白的結合作用。在多孔板的每個孔里加入目標蛋白，然后分別加入各種藥物分子，檢測這些分子對蛋白活力的影響。這種方法被稱為高通量篩選(high-throughout screening，HTS)，主要使用機器自動測試上百萬種化學分子，但仍然耗時耗力還費錢，而且不一定湊效。

　　過去幾年來，藥物化學家通過用DNA標記化學分子，形成分子的二維碼，從而提高藥物研發成功率。這些DNA編碼分子庫具有諸多優點：首先，研究者并不需要單獨測試每種分子;而是只需把分子分成各種混合物，然后檢測混合物是否對目標蛋白活性有影響。一旦有分子能與目標蛋白結合，它就很容易被認出來——因為可以檢測它的DNA二維碼。

　　1992年斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的分子生物學家Sydney Brenner 和化學家 Richard Lerner提出DNA編碼分子庫這一概念。此后，DNA編碼分子庫一直發展迅猛。2007年，GSK公司以5500萬美金收購了一家在DNA標簽分子庫研究站處于地位的公司。瑞士巴塞爾的諾華公司和羅氏公司也建立了內部DNA標簽分子庫研究項目。多家新興生物科技公司——包括沃爾瑟姆的X-chem、哥本哈根的Vipergen、劍橋的Ensemble制藥公司和瑞士的Philochem——也和學界和工業界合作，迫切希望使用該技術。

　　“人們現在明白了，DNA編碼分子庫不是一種時尚，而是可以實現的。” 波士頓阿斯利康公司(X-Chem公司的合作者之一)化學創新中心的執行理事Robert Goodnow這樣說到。

　　DNA編碼分子庫不會取代高通量篩選：由于一些化合物不能使用DNA編碼技術合成，各大公司已在高通量篩選上投入巨資。但DNA編碼分子庫提供了一個快速有效、低成本的互補方案，幫助尋找與新的或具有挑戰性的目標蛋白結合的分子。例如，尋找泛素連接酶——一種將泛素分子連接到目標蛋白的酶、可作為癌癥治療的靶向分子——的結合分子。

圖：建立DNA二維碼

　　大即是美

　　GSK目前擁有世界上zui大的DNA編碼分子庫：GSK的高通量篩選庫有200萬種分子，而DNA編碼分子庫有1萬億種分子，是高通量篩選庫的50萬倍。

　　建立DNA編碼庫有幾種方式：zui大的分子庫，如GSK公司，使用 DNA記錄法(圖：建立DNA二維碼)。首先合成化學構建模塊，如氨基酸、胺和羧酸，然后通過化學反應，為它們添加不同的DNA二維碼。將第二個建構模塊加入到混合物中，形成新的小分子，DNA標簽延長。通過連接4個構建模塊，化學家可創造藥物分子。由于建筑模塊的種類有上千種，因此潛在的組合數目非常巨大。

　　與傳統高通量篩選相比，化學家必須單獨對每個化合物進行檢測，而DNA編碼庫更易于維護和使用。DNA編碼庫可以存儲在一個單一測試管中，而高通量篩選需要使用機器人把每個分子單獨放到一個測試管中。

　　但GSK的Chris Arico-Muendel表示，DNA編碼庫zui大的優點，是可合成的分子數量多。對于新或難的目標蛋白，GSK使用DNA編碼庫和高通量篩選的頻率相同，甚至更高。迄今為止，GSK公司使用DNA編碼技術合成的化合物是GSK2256294，能有效阻斷環氧化物酶，一種參與脂肪分解的酶。該候選藥物是Praecis和GSK的合作成果，已通過1期臨床安全實驗，將進一步評估其在糖尿病、傷口愈合和慢性阻塞性肺病的治療中的效果。Arico-Muendel表示，他們很高興，GSK的DNA編碼庫能發展這么順利。

　　隨著化學構建模塊的增多，以及連接方式的增多，DNA編碼庫還會進一步擴大。

　　X-Chem執行官Richard Wagner則認為，在不久的將來，DNA編碼庫不僅變得更大，也能更快進入臨床。傳統的藥物篩選中，藥物化學家有時要花許多年來調整化合物結構，讓它們更特異、強效和安全。Wagner表示，可以說，傳統篩藥只是一場概率游戲。相比之下，基因編碼庫的大尺寸意味著，按照概率計算，一些化合物更易進入臨床。盡管這些化合物仍然需要優化，但更接近理想分子，需要調整的幅度更小。

　　X-Chem的DNA編碼庫有1200億種化合物，并已開始進行實踐。僅僅過了一年，他們就篩選出了候選藥物——一種autotaxin抑制劑，能阻斷一種磷脂轉化成另一種磷脂。X-Chem的子公司X-Rx現在計劃在2017年開始纖維變性藥物的臨床試驗。業界對X-Chem的DNA編碼分子庫的興趣日益高漲：在過去五年中，該公司已與幾大制藥*，包括羅氏、阿斯利康、拜耳、強生、輝瑞、賽諾菲等簽署合作協議，此外還和多個生物工程公司和學術實驗室建立合作。

　　定制合成

　　其他生物公司則采用另一種方法合成分子庫。他們不僅使用DNA標簽來標記分子，也使用DNA標簽作為合成模板。哈佛大學(Harvard University)的化學家David Liu和他的學生開發了一種DNA模板法，產生環形分子庫。環狀分子更大、更穩定，能在多個位點與目標分子結合，增強結合反應的特異性。(GSK和X-Chem公司都有很大的DNA編碼環形分子庫。)

圖為Sydney Brenner，與Richard Lerner在1992年提出DNA編碼分子庫的概念。

　　Liu首先產生單鏈DNA模板，模板包含與化學構建模塊的DNA標簽互補的序列。然后依次往化學反應容器中加入DNA標記的化學構建模塊，依靠DNA堿基配對，使各個構建模塊的DNA標簽與DNA模板結合。zui后的反應是將各個化學構建模塊連接成環狀，產生環形分子和一個長鏈DNA標簽。

　　構建DNA模板庫需要大量工作，因為研究人員必須為每個分子設計模板，還需要為成千上萬種化學構建模塊設計DNA標簽。因此，DNA模板法產生的分子庫小于DNA記錄法產生的分子庫，但依舊遠大于高通量篩選庫，并且還擁有其他優點。在DNA模板法中，科學家們一開始就知道zui終合成的分子有哪些，他們可以純化分子庫，去掉那些標簽錯誤的分子。這增加了篩藥的成功率。相比之下，巨大的DNA記錄分子庫可能仍然包含標簽錯誤的化合物。萬一標簽錯誤的分子與目標蛋白結合，研究者們就需要浪費大段時間在糾錯上。

　　Liu的分子庫包含14000種分子，目前已取得一些成功。2014年，他的團隊報道，他們發現了一種穩定的、特異的胰島素降解酶(insulin-degrading enzyme, IDE，與2型糖尿病有關)小分子抑制劑，在此之前，研究者們花了幾十年尋找和設計IDE抑制劑。Liu等人開始研究IDE在健康和疾病中的作用，幫助尋找其它IDE抑制劑。目前他們正努力把小分子抑制劑轉化成臨床藥物。

　　Liu也篩選了100多種目標蛋白的抑制劑。這些蛋白大多急需小分子抑制劑，來促進相關領域的研究。“我沒有想到，*代分子庫在7年后的今天，仍然能為我們帶來這么多科學發現。在篩選抑制劑上，我們成果累累。到現在為止，我們發現了非常多種分子的抑制劑，數目多到我們無法一一研究。”

　　盡管如此，Liu仍然不懈發展第二代DNA模板分子庫，這個分子庫包含256000個環形分子。Liu在2004年創立了Ensemble Therapeutics公司，該公司的分子庫現在已有1000萬個分子。公司聚焦于尋找免疫檢查點蛋白的抑制劑，調節免疫系統和泛素連接酶。他還授權給諾華公司，開發靶向炎癥相關蛋白白細胞介素-17的藥物。

　　快速篩選

　　一旦分子庫建立成功，就開始了目標蛋白結合分子的尋找之旅。大多數研究人員依靠“親和篩選”來找出這些化合物。為此，他們為靶蛋白添加純化標簽，使用純化標簽把結合了分子的蛋白提取出來。zui后一步是讀取DNA標簽，鑒別與蛋白結合的小分子。

　　這種方法的一個優點是，僅需一點點目標蛋白，就能得到結果。在一個項目中，Arico-Muendel想尋找一種不穩定的、獲取量很少的蛋白的結合分子。他說，“把蛋白放在干冰上后，我們很快完成了整個篩選過程。而且我們找到了一些能與該蛋白結合的分子。”高通量篩選是無法完成這種這類實驗。因為高通量篩選里，目標蛋白必須穩定且足量，且要在實驗開始前往千百個孔里加入目標蛋白。

　　但親和篩選也有其不足。笨重的DNA標簽有時會阻礙分子與目標蛋白的互動，因此一些有效的分子可能被遺漏。但由于DNA編碼庫太大，研究者們通常不太在意這些損失。更大的問題是，小分子和標簽可以結合到純化柱上，產生假陽性率。純化標簽也會影響目標蛋白的結構，引入數據誤差。

　　幾個研究小組已經找到了解決之道。Vipergen，一家擁有5000萬個分子的DNA模板庫的生物技術公司，采用“粘合劑陷阱”來解決這個問題。

　　Vipergen公司的執行官Nils Hansen表示，你可以凍結你的蛋白——分子庫混合物，切割成非常小的冰塊。如果冰塊足夠小，每個冰塊只包含一個靶蛋白。在這個尺度上，即使沒有純化，與該靶蛋白結合的小分子的比例也會增加。Vipergen在水和油乳劑中完成篩選，也能達到同樣的效果。此時，微小的水滴的效果等同于小冰塊。Hansen感慨，“這超酷!”

　　目前，DNA編碼分子庫用于篩選可溶于水、自由浮動的蛋白的抑制劑。但很多重要的藥物靶點嵌于細胞表面，因此不可能使用傳統的親和篩選法。例如，大約40%的經認證藥物的靶點都是細胞膜上感受胞外刺激的G蛋白偶聯受體。Goodnow指出，膜結合蛋白的篩選技術在不斷發展，“但仍然不夠完善”。

　　一種解決方法是混合DNA編碼分子庫與過表達膜結合蛋白靶標的完整細胞。小分子可以與細胞表面的目標蛋白結合。然后，研究者洗去未發生結合的分子，加熱細胞，讀取DNA標簽，鑒定有效的小分子。GSK已經用這種方法來確定一個受體——該受體在精神分裂癥和中樞神經系統疾病中起重要作用的強效抑制劑。

　　X-Chem也在膜結合蛋白藥物篩選中獲得成功。Wagner說，“以前，我們主要篩選可溶性蛋白的抑制劑。但數據顯示，我們現在也能篩選相對困難的膜結合蛋白的抑制劑。” Wagner補充說，隨著DNA編碼庫的不斷擴大，以及新的篩選方法的問世，“DNA編碼庫將成為醫藥行業藥物研發的支柱之一。”

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