摘要：研究人員采用了一種新的方法，建立了一個非常多樣化的分子化合物集合。
在過去的二十年里，大量的基因研究已經(jīng)將成千上萬的DNA變異與成千上萬的人類特征和疾病聯(lián)系起來。然而，由于缺乏精確的分子工具，糾正這些變異對治療疾病的影響一直受到阻礙。
麻省理工學(xué)院博德研究所、哈佛大學(xué)、麻省總醫(yī)院和哈佛大學(xué)的研究人員采用了一種新的方法，建立了一個非常多樣化的分子化合物集合，可以以新的方式挖掘那些針對疾病相關(guān)基因變異的分子化合物。由于創(chuàng)新的化學(xué)方法，該文庫包含了超過300萬種化合物，這些化合物被設(shè)計成將兩種蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，并使用一種作為屏障來穩(wěn)定另一種并逆轉(zhuǎn)其與疾病相關(guān)的影響。
圖1 FKBP12招募化學(xué)誘導(dǎo)鄰近DNA編碼文庫的開發(fā)及其在自噬增強劑中的應(yīng)用從他們的文庫中，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種化合物，它可以靶向一些克羅恩病患者體內(nèi)改變的蛋白質(zhì)，并表明它可以逆轉(zhuǎn)這種變異對細胞的有害影響。這種方法可能用于招募具有其他功能作用的蛋白質(zhì)，或僅在某些細胞類型或組織中靶向疾病風(fēng)險因素。
這項新研究發(fā)表在《Cell Chemical Biology》雜志上。
“小分子化學(xué)的進步給了我們一個真正的機會，讓我們能夠找到精確的方法來糾正、修改或激活基因變異，”Ramnik Xavier說，他是Broad研究所的核心成員、免疫學(xué)項目主任、傳染病和微生物組項目聯(lián)合主任。“在這項研究中，我們已經(jīng)建立了對這種克羅恩病變體的機制理解，以產(chǎn)生一個強大的化學(xué)工具箱來糾正這種變體，同時保持基因的功能?！?/div>
圖2 文庫設(shè)計與合成
Xavier也是哈佛醫(yī)學(xué)院和馬薩諸塞州總醫(yī)院的教授，他與共同資深作者Stuart Schreiber （Broad的創(chuàng)始核心研究所榮譽成員）和第一作者Zher Yin Tan（哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系的研究生，師從Schreiber和Xavier）一起領(lǐng)導(dǎo)了這項工作。
一組新的膠水
在尋找以新方式改變疾病相關(guān)蛋白質(zhì)的化合物的過程中，研究人員開發(fā)了所謂的接近化學(xué)誘導(dǎo)劑，即CIPs，其中包括分子膠和雙功能化合物。這些化合物將細胞中兩種通常不會相互發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起——一種是“目標”蛋白質(zhì)（通常是在疾病中發(fā)生改變的蛋白質(zhì)），另一種是對目標有一定影響的“呈現(xiàn)”蛋白質(zhì)。到目前為止，大多數(shù)CIP文庫都旨在觸發(fā)功能失調(diào)的蛋白質(zhì)被細胞自身的廢物處理機制降解，從而減少其致病作用。
在這項新研究中，研究人員的目標是建立一個多樣化的潛在CIPs庫，這些CIPs可以做一些除了降解目標蛋白質(zhì)之外的事情。對于他們的呈遞蛋白，他們選擇了FKBP12，這是一種在人類細胞中豐富的蛋白質(zhì)。研究小組假設(shè)，當與CIP結(jié)合時，F(xiàn)KBP12可能會作為一個屏障，保護目標蛋白免受酶的破壞，從而有效地穩(wěn)定它。對于一些與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)，這可能足以恢復(fù)它們的正常功能，作為一種治療疾病的方法。
圖2 文庫設(shè)計與合成
該團隊的目標是通過生成大量可能識別和結(jié)合目標蛋白質(zhì)的分子成分，來覆蓋盡可能多的“化學(xué)空間”。每種化合物還包括一個結(jié)合FKBP12的基序，因此它可以被招募到靶標上。此外，他們給每種化合物附加了一個獨特的DNA條形碼——這樣的“DNA編碼文庫”允許研究人員在一個單一的實驗屏幕上有效地收集數(shù)百萬到數(shù)十億的化合物。該團隊還探索了各種連接元件，將每個化合物的成分連接在一起，使用不同角度和長度的剛性連接件，而不是以前CIP庫中使用的長而軟的鏈連接件。
通過不同連接體和靶標結(jié)合元件的不同組合，該團隊生成了一個CIPs DNA編碼文庫（CIP-DEL庫），其中包含超過300萬種招募FKBP12的獨特化合物。為了證明他們的文庫在發(fā)現(xiàn)有用的新CIP方面的潛力，他們瞄準了一種與克羅恩病風(fēng)險相關(guān)的基因變異ATG16L1 T300A。ATG16L1基因的一個作用是促進自噬，這是一個從細胞中清除有害細菌和廢物的關(guān)鍵過程。Xavier實驗室十年的工作表明，該基因的ATG16L1 T300A變體會損害自噬，因為它編碼的蛋白質(zhì)更容易被caspase-3酶切割。因此，研究小組認為，用CIP保護蛋白質(zhì)免受切割可以幫助恢復(fù)自噬，使細胞恢復(fù)到健康狀態(tài)。
在實驗篩選中，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種與ATG16L1蛋白變體相互作用的化合物。通過在人類和小鼠細胞中的進一步測試，他們發(fā)現(xiàn)它穩(wěn)定了蛋白質(zhì)，保護它免受caspase-3的切割，并在不影響caspase-3活性的情況下逆轉(zhuǎn)自噬和其他細胞過程的損傷，caspase-3在整個人體細胞中起著其他關(guān)鍵作用。
“分子膠、DNA編碼文庫和化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)等新的化學(xué)方法有很大的潛力，”Xavier說?！爱斉c人類遺傳學(xué)和深刻的機制理解相結(jié)合時，它們?yōu)槲覀兲峁┝俗非鬂撛诘男轮委煵呗缘膭?chuàng)新方法?！?/div>圖1 FKBP12招募化學(xué)誘導(dǎo)鄰近DNA編碼文庫的開發(fā)及其在自噬增強劑中的應(yīng)用
研究人員的下一步目標是開發(fā)一種能在動物模型中起作用的化合物，這樣他們就可以進一步探索治療的機會。他們還希望看到其他人定制CIP-DEL庫，以針對不同的疾病變體，并招募具有其他功能的遞呈蛋白，例如破壞蛋白質(zhì)相互作用或細胞內(nèi)信號通路。通過選擇僅存在于特定細胞類型中的遞呈蛋白，一個信息庫可以揭示出CIP，這些CIPs通過僅改變受疾病影響的組織中的細胞而不是整個身體中的細胞，從而更加精確地發(fā)揮作用。
“我們的方法是一個即插即用的系統(tǒng)，”Tan說。“根據(jù)你想要追求的疾病和分子機制，你可以設(shè)計一個獨特的文庫來找到你正在尋找的化合物類型。我們有更多的化學(xué)領(lǐng)域要覆蓋，我們希望為治療工具箱做出貢獻，帶來干預(yù)人類疾病的新方法?！?/div>
參考資料
[1] Development of an FKBP12-recruiting chemical-induced proximity DNA-encoded library and its application to discover an autophagy potentiator
摘要：研究人員采用了一種新的方法，建立了一個非常多樣化的分子化合物集合。
在過去的二十年里，大量的基因研究已經(jīng)將成千上萬的DNA變異與成千上萬的人類特征和疾病聯(lián)系起來。然而，由于缺乏精確的分子工具，糾正這些變異對治療疾病的影響一直受到阻礙。
麻省理工學(xué)院博德研究所、哈佛大學(xué)、麻省總醫(yī)院和哈佛大學(xué)的研究人員采用了一種新的方法，建立了一個非常多樣化的分子化合物集合，可以以新的方式挖掘那些針對疾病相關(guān)基因變異的分子化合物。由于創(chuàng)新的化學(xué)方法，該文庫包含了超過300萬種化合物，這些化合物被設(shè)計成將兩種蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，并使用一種作為屏障來穩(wěn)定另一種并逆轉(zhuǎn)其與疾病相關(guān)的影響。
圖1 FKBP12招募化學(xué)誘導(dǎo)鄰近DNA編碼文庫的開發(fā)及其在自噬增強劑中的應(yīng)用從他們的文庫中，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種化合物，它可以靶向一些克羅恩病患者體內(nèi)改變的蛋白質(zhì)，并表明它可以逆轉(zhuǎn)這種變異對細胞的有害影響。這種方法可能用于招募具有其他功能作用的蛋白質(zhì)，或僅在某些細胞類型或組織中靶向疾病風(fēng)險因素。
這項新研究發(fā)表在《Cell Chemical Biology》雜志上。
“小分子化學(xué)的進步給了我們一個真正的機會，讓我們能夠找到精確的方法來糾正、修改或激活基因變異，”Ramnik Xavier說，他是Broad研究所的核心成員、免疫學(xué)項目主任、傳染病和微生物組項目聯(lián)合主任?！霸谶@項研究中，我們已經(jīng)建立了對這種克羅恩病變體的機制理解，以產(chǎn)生一個強大的化學(xué)工具箱來糾正這種變體，同時保持基因的功能?！?/div>
圖2 文庫設(shè)計與合成
Xavier也是哈佛醫(yī)學(xué)院和馬薩諸塞州總醫(yī)院的教授，他與共同資深作者Stuart Schreiber （Broad的創(chuàng)始核心研究所榮譽成員）和第一作者Zher Yin Tan（哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系的研究生，師從Schreiber和Xavier）一起領(lǐng)導(dǎo)了這項工作。
一組新的膠水
在尋找以新方式改變疾病相關(guān)蛋白質(zhì)的化合物的過程中，研究人員開發(fā)了所謂的接近化學(xué)誘導(dǎo)劑，即CIPs，其中包括分子膠和雙功能化合物。這些化合物將細胞中兩種通常不會相互發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起——一種是“目標”蛋白質(zhì)（通常是在疾病中發(fā)生改變的蛋白質(zhì)），另一種是對目標有一定影響的“呈現(xiàn)”蛋白質(zhì)。到目前為止，大多數(shù)CIP文庫都旨在觸發(fā)功能失調(diào)的蛋白質(zhì)被細胞自身的廢物處理機制降解，從而減少其致病作用。
在這項新研究中，研究人員的目標是建立一個多樣化的潛在CIPs庫，這些CIPs可以做一些除了降解目標蛋白質(zhì)之外的事情。對于他們的呈遞蛋白，他們選擇了FKBP12，這是一種在人類細胞中豐富的蛋白質(zhì)。研究小組假設(shè)，當與CIP結(jié)合時，F(xiàn)KBP12可能會作為一個屏障，保護目標蛋白免受酶的破壞，從而有效地穩(wěn)定它。對于一些與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)，這可能足以恢復(fù)它們的正常功能，作為一種治療疾病的方法。
圖2 文庫設(shè)計與合成
該團隊的目標是通過生成大量可能識別和結(jié)合目標蛋白質(zhì)的分子成分，來覆蓋盡可能多的“化學(xué)空間”。每種化合物還包括一個結(jié)合FKBP12的基序，因此它可以被招募到靶標上。此外，他們給每種化合物附加了一個獨特的DNA條形碼——這樣的“DNA編碼文庫”允許研究人員在一個單一的實驗屏幕上有效地收集數(shù)百萬到數(shù)十億的化合物。該團隊還探索了各種連接元件，將每個化合物的成分連接在一起，使用不同角度和長度的剛性連接件，而不是以前CIP庫中使用的長而軟的鏈連接件。
通過不同連接體和靶標結(jié)合元件的不同組合，該團隊生成了一個CIPs DNA編碼文庫（CIP-DEL庫），其中包含超過300萬種招募FKBP12的獨特化合物。為了證明他們的文庫在發(fā)現(xiàn)有用的新CIP方面的潛力，他們瞄準了一種與克羅恩病風(fēng)險相關(guān)的基因變異ATG16L1 T300A。ATG16L1基因的一個作用是促進自噬，這是一個從細胞中清除有害細菌和廢物的關(guān)鍵過程。Xavier實驗室十年的工作表明，該基因的ATG16L1 T300A變體會損害自噬，因為它編碼的蛋白質(zhì)更容易被caspase-3酶切割。因此，研究小組認為，用CIP保護蛋白質(zhì)免受切割可以幫助恢復(fù)自噬，使細胞恢復(fù)到健康狀態(tài)。
在實驗篩選中，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種與ATG16L1蛋白變體相互作用的化合物。通過在人類和小鼠細胞中的進一步測試，他們發(fā)現(xiàn)它穩(wěn)定了蛋白質(zhì)，保護它免受caspase-3的切割，并在不影響caspase-3活性的情況下逆轉(zhuǎn)自噬和其他細胞過程的損傷，caspase-3在整個人體細胞中起著其他關(guān)鍵作用。
“分子膠、DNA編碼文庫和化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)等新的化學(xué)方法有很大的潛力，”Xavier說?！爱斉c人類遺傳學(xué)和深刻的機制理解相結(jié)合時，它們?yōu)槲覀兲峁┝俗非鬂撛诘男轮委煵呗缘膭?chuàng)新方法?！?/div>
研究人員的下一步目標是開發(fā)一種能在動物模型中起作用的化合物，這樣他們就可以進一步探索治療的機會。他們還希望看到其他人定制CIP-DEL庫，以針對不同的疾病變體，并招募具有其他功能的遞呈蛋白，例如破壞蛋白質(zhì)相互作用或細胞內(nèi)信號通路。通過選擇僅存在于特定細胞類型中的遞呈蛋白，一個信息庫可以揭示出CIP，這些CIPs通過僅改變受疾病影響的組織中的細胞而不是整個身體中的細胞，從而更加精確地發(fā)揮作用。
“我們的方法是一個即插即用的系統(tǒng)，”Tan說?！案鶕?jù)你想要追求的疾病和分子機制，你可以設(shè)計一個獨特的文庫來找到你正在尋找的化合物類型。我們有更多的化學(xué)領(lǐng)域要覆蓋，我們希望為治療工具箱做出貢獻，帶來干預(yù)人類疾病的新方法?！?/div>
參考資料
[1] Development of an FKBP12-recruiting chemical-induced proximity DNA-encoded library and its application to discover an autophagy potentiator
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