化學生物學導論

1、. 北京大學北京大學 北大北大- -清華清華 生命科學聯(lián)合研究中心生命科學聯(lián)合研究中心化學生物學導論化學生物學導論 .一一. 化學生物學概述化學生物學概述二二. 細胞死亡的化學生物學研究細胞死亡的化學生物學研究.個人教育與工作經(jīng)歷個人教育與工作經(jīng)歷教育背景：教育背景：2001200120062006美國波士頓大學美國波士頓大學博士（有機化學與化學生物學）博士（有機化學與化學生物學）導師：導師：Prof. John Porco Prof. John Porco 1997199720012001北京大學北京大學學士（化學）學士（化學）導師：王劍波導師：王劍波 教授教授工作經(jīng)歷：工作經(jīng)歷：20142

2、014現(xiàn)在現(xiàn)在 北大北大- -清華生命中心清華生命中心 高級研究員高級研究員20142014現(xiàn)在現(xiàn)在 北京大學北京大學 化學學院化學學院 教授教授200820082014 2014 北京生命科學研究所北京生命科學研究所 研究員，高級研究員研究員，高級研究員200820082014 2014 天津大學天津大學 藥學院藥學院 副教授，教授副教授，教授2006200620082008美國哥倫比亞大學美國哥倫比亞大學博士后（生物有機化學）博士后（生物有機化學）合作導師：合作導師：Prof. Samuel DanishefskyProf. Samuel Danishefsky.一一. 化學生物學概述化學

3、生物學概述二二. 細胞死亡的化學生物學研究細胞死亡的化學生物學研究.5生命生命化學化學醫(yī)學醫(yī)學提供生命研究的化學技術(shù)提供生命研究的化學技術(shù)發(fā)展生命調(diào)控的化學方法發(fā)展生命調(diào)控的化學方法揭示生命運動的化學本質(zhì)揭示生命運動的化學本質(zhì) 化學生物學.6Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 3.“In our view, chemical biology focuses on understanding biological systems at the molecular level and using these mechanistic insights to expand chemis

4、try and biology in new directions”. Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 64.Stuart Schreiber “Chemical Biology provides the missing small-molecule piece of the central dogma. Chemical Biologists make both small and large “small molecules”, and they use them to illuminate the principles that underlie life.”.7Ch

5、emBioChem 2009, 10, 16-29“Chemical biologyas the name suggests-employs the methods and techniques of chemistry for the study of biological phenomena.Herbert Waldmann: “Chemical biologyas the name suggests-employs the methods and techniques of chemistry for the study of biological phenomena.J. Biol.

6、Chem. 2010, 285, 11031-11032.“Chemical biology is a scientific discipline spanning the fields of chemistry and biology that involves the application of chemical techniques and tools, often compounds produced through synthetic chemistry, to the study and manipulation of biological systems.”.8化學生物學是一門

7、利用化學生物學是一門利用外源外源的化的化學物質(zhì)、化學方法或途徑，在學物質(zhì)、化學方法或途徑，在分分子層面子層面上對生命體系進行精準和上對生命體系進行精準和動態(tài)的動態(tài)的修飾、調(diào)控和闡釋修飾、調(diào)控和闡釋的科學的科學。.9化學生物學與生物化學的區(qū)別化學生物學與生物化學的區(qū)別核心思想：核心思想：外源化學外源化學核心工具：核心工具：化學探針化學探針核心任務(wù)：核心任務(wù)：分子精度分子精度核心目標：核心目標：揭示生命本質(zhì)并服務(wù)于化學揭示生命本質(zhì)并服務(wù)于化學.10(1996)(1996) 化學生物學出現(xiàn)的標志化學生物學出現(xiàn)的標志- -專門研究機構(gòu)專門研究機構(gòu)NO特殊生理活性發(fā)現(xiàn)特殊生理活性發(fā)現(xiàn)（ 1774年年,

8、Joseph Priestly ）.111994年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊1997年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊2001年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊2008年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊(Elsevier)(Springer) 化學生物學出現(xiàn)的標志化學生物學出現(xiàn)的標志- -專門學術(shù)刊物專門學術(shù)刊物(cell).122004*年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊2000年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊2006年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊(Wiley) 化學生物學出現(xiàn)的標志化學生物學出現(xiàn)的標志- -專門學術(shù)刊物專門學術(shù)刊物2005年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊.132006年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊2004年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊2005年創(chuàng)刊年創(chuàng)刊 化學生物學出現(xiàn)的標志化學生物學出現(xiàn)的標志- -專門學術(shù)刊物專門學術(shù)刊物(Royal Society)2005年創(chuàng)刊

9、年創(chuàng)刊.14什么是化學生物學什么是化學生物學主要研究方向主要研究方向國際發(fā)展與資助情況國際發(fā)展與資助情況我國發(fā)展與資助情況我國發(fā)展與資助情況.15Stuart SchreiberCarolyn BertozziPeter Schultz利用外源物質(zhì)（小分子探針）研究生命體系利用外源物質(zhì)（小分子探針）研究生命體系化學小分子化學小分子 蛋白質(zhì)靶標蛋白質(zhì)靶標為生命科學研究提供全新的方法和手段為生命科學研究提供全新的方法和手段15.16M. Bucci, C. Goodman, T. L. Sheppard 化學生物學近代典型研究工作化學生物學近代典型研究工作“A decade of chemical

10、 biology” Nat. Chem. Biol. 2010, 6 (12), 847-854.17 化學生物學近代典型研究工作化學生物學近代典型研究工作2010201120122013.18NSF: National Science Foundation NIH: National Institute of Health DOE: Department of Energy 美國NIH Directors New Innovator Program重點資助的研究方向重點資助的研究方向1Behavioral and Social Science2Chemical Biology3Clinica

11、l and Translational Research 4Immunology 5Instrumentation and Engineering6Molecular and Cellular Biology7Neuroscience8High Throughput and Integrative Biology9Quantitative and Computational Biology.19生物醫(yī)學路線圖計劃生物醫(yī)學路線圖計劃 (NIH Roadmap for Medical Research )NIH Roadmap資助的小分子篩選中心網(wǎng)絡(luò)資助的小分子篩選中心網(wǎng)絡(luò) 分子庫和成像計劃分子庫

12、和成像計劃(Molecular Libraries and Imaging, MLI).20美國的化學生物學高水準研究單位：美國的化學生物學高水準研究單位：The Broad Institute (MIT, Harvard)YaleScripps InstituteCornellUniversity of Wisconsin - MadisonColumbiaNIH (Intramural, MD)StanfordUniversity of PittsburghRockefellerUniversity of Texas SouthwestSalk InstituteUniversity of

13、 California San Francisco.21 支持化學生物學研究的基金機構(gòu)支持化學生物學研究的基金機構(gòu): EPSRC: Engineering and Physical Sciences Research Council (英國工程和自然科學研究委員會)BBSRC: Biotechnology and Biological Sciences Research (英國生物技術(shù)與生物科學研究理事會)MRC: Medical Research Council (英國醫(yī)學研究理事會) Royal Society (Fellowships) (英國皇家學會). Wellcome Trust,

14、 Cancer Research UK, EU funding, Leverhulme TrustDecember 03, 2013英國.22英國倫敦皇家學院、腫瘤研究所等單位聯(lián)合組建了化英國倫敦皇家學院、腫瘤研究所等單位聯(lián)合組建了化學生物學（）研究中心，從事生物膜的結(jié)構(gòu)與功能研學生物學（）研究中心，從事生物膜的結(jié)構(gòu)與功能研究。究?；瘜W生物學和生物化學的資助比例（化學生物學和生物化學的資助比例（A）參與這些研究的學生人數(shù)比例（）參與這些研究的學生人數(shù)比例（B）EPSRC （2008）.23德國合作研究中心（合作研究中心（CRC）目前獲目前獲DFG資助的多個資助的多個CRC中心都是在化學與生中心

15、都是在化學與生物學的交叉界面上開展研究工作，化學生物學是物學的交叉界面上開展研究工作，化學生物學是其主要的研究領(lǐng)域之一。其主要的研究領(lǐng)域之一。德國科學基金會（德國科學基金會（DFG）.24日本日本學術(shù)振興會（日本學術(shù)振興會（JSPS）系系學科學科分支學科分支學科細目名細目名細目番號細目番號理工系化學基礎(chǔ)化學物理化學4601有機化學4602無機化學4603復(fù)合化學分析化學4701合成化學4702高分子化學4703機能物質(zhì)化學4704環(huán)境關(guān)聯(lián)化學4705生物關(guān)聯(lián)化學生物關(guān)聯(lián)化學4706材料化學機能材料4801有機工業(yè)材料4802無機工業(yè)材料4803高分子材料4804.25什么是化學生物學什么是化學

16、生物學主要研究方向主要研究方向國際發(fā)展與資助情況國際發(fā)展與資助情況我國發(fā)展與資助情況我國發(fā)展與資助情況.262003年年 化學二處設(shè)立了化學生物學學科化學二處設(shè)立了化學生物學學科2005年年 生物有機與化學生物學學科代碼生物有機與化學生物學學科代碼 B02072013年年 化學生物學學科代碼化學生物學學科代碼B0212.278080年代初年代初 攀登計劃攀登計劃“生命過程中的化學問題生命過程中的化學問題”九五計劃九五計劃 化學與生命科學交叉的重大項目化學與生命科學交叉的重大項目5 5項項 十五計劃十五計劃 化學與生命科學交叉的重點項目化學與生命科學交叉的重點項目3232項項2003-20052

17、003-2005 化學與生命科學交叉的重大國際合作化學與生命科學交叉的重大國際合作 (8 (8項項, 60-95, 60-95萬萬/ /項項) )2004-20062004-2006 健康領(lǐng)域的交叉面上項目健康領(lǐng)域的交叉面上項目 (2000(2000萬萬/ /年年) )2007-20152007-2015 重大研究計劃重大研究計劃“基于化學小分子探針的基于化學小分子探針的 信號轉(zhuǎn)導過程研究信號轉(zhuǎn)導過程研究”（2000020000萬）萬）.28北京大學北京大學清華大學清華大學中國科學院生物中國科學院生物物理研究所物理研究所武漢大學武漢大學華中師范大學華中師范大學中國科學院上海中國科學院上海有機化

18、學研究所有機化學研究所中國科學院上海中國科學院上海藥物化學研究所藥物化學研究所四川大學四川大學中國科學院成都中國科學院成都生物化學研究所生物化學研究所.29什么是化學生物學什么是化學生物學主要研究方向主要研究方向國際發(fā)展與資助情況國際發(fā)展與資助情況我國發(fā)展與資助情況我國發(fā)展與資助情況.30B021201 分子探針分子探針B021202 生物分子的化學合成與標記生物分子的化學合成與標記B021203 生物相容化學生物相容化學B021204 化學遺傳學化學遺傳學B021205 生物合成化學生物合成化學B021206 藥物發(fā)現(xiàn)的化學生物學藥物發(fā)現(xiàn)的化學生物學B021207 應(yīng)用化學生物學應(yīng)用化學生物

19、學B021208 化學生物學新理論新方法與新技術(shù)化學生物學新理論新方法與新技術(shù).31 分子探針的分子探針的設(shè)計與合成設(shè)計與合成 基于分子探針的基于分子探針的信號轉(zhuǎn)導研究信號轉(zhuǎn)導研究 基于分子探針的基于分子探針的藥物靶標鑒定藥物靶標鑒定 基于分子探針的基于分子探針的組學技術(shù)組學技術(shù) 基于分子探針的基于分子探針的成像技術(shù)成像技術(shù) 基于分子探針的基于分子探針的測序技術(shù)測序技術(shù) 基于分子探針的其它生物學研究基于分子探針的其它生物學研究.32Chemical probeDrugMechanism of action/ phenotypeEfficacyTarget engagement/ on-targ

20、et activityPK/PDOff-target activity/ selectivityPolypharmacology/ toxicityPotencyDoseNature Chemical BiologyNature Chemical Biology關(guān)于關(guān)于“化學探針化學探針”與與“藥物藥物”區(qū)別的總結(jié)區(qū)別的總結(jié).33 核酸及其衍生物核酸及其衍生物的化學合成與標記；的化學合成與標記； 蛋白質(zhì)和多肽蛋白質(zhì)和多肽的化學合成與標記；的化學合成與標記； 糖和糖綴合物糖和糖綴合物的化學合成與標記；的化學合成與標記； 其它其它重要生物學功能重要生物學功能的生物小分子的發(fā)現(xiàn)、的生物小分子的發(fā)現(xiàn)、

21、 化學合成、標記、修飾及應(yīng)用化學合成、標記、修飾及應(yīng)用.34 生物相容生物相容（生物正交）（生物正交）反應(yīng)的開發(fā)反應(yīng)的開發(fā) （各種金屬或非金屬催化的、光激發(fā)的、以及（各種金屬或非金屬催化的、光激發(fā)的、以及自催化的生物相容反應(yīng)）；自催化的生物相容反應(yīng)）； 生物相容生物相容反應(yīng)機理反應(yīng)機理 （以提高反應(yīng)活性或生物相容性為目的的反應(yīng)（以提高反應(yīng)活性或生物相容性為目的的反應(yīng)機理和規(guī)律研究）機理和規(guī)律研究） 生物相容反應(yīng)的生物相容反應(yīng)的應(yīng)用應(yīng)用 （生物相容反應(yīng)在生物體系及具體生物學問題（生物相容反應(yīng)在生物體系及具體生物學問題當中的應(yīng)用）當中的應(yīng)用）.35 正向化學遺傳學正向化學遺傳學研究研究 （從細胞和

22、表型尋找靶標）（從細胞和表型尋找靶標） 反向化學遺傳學反向化學遺傳學研究研究 （小分子與生物大分子的相互作用反推表型）（小分子與生物大分子的相互作用反推表型） 活性化合物庫的活性化合物庫的建立與優(yōu)化建立與優(yōu)化； 基于小分子化合物庫的基于小分子化合物庫的生物學基礎(chǔ)研究生物學基礎(chǔ)研究 基于小分子化合物庫的基于小分子化合物庫的藥物靶標尋找藥物靶標尋找和和先導化先導化 合物開發(fā)合物開發(fā).36 受生物啟發(fā)的化學受生物啟發(fā)的化學反應(yīng)的開發(fā)與機理研究反應(yīng)的開發(fā)與機理研究 生物合成或生物半合成的生物合成或生物半合成的反應(yīng)方法的建立反應(yīng)方法的建立 功能性分子的生物合成或生物半合成及功能性分子的生物合成或生物半合

23、成及應(yīng)用應(yīng)用 生物合成化學路徑的生物合成化學路徑的定向進化定向進化.37 癌癥癌癥靶標及先導化合物靶標及先導化合物 心血管疾病心血管疾病靶標及先導化合物靶標及先導化合物 神經(jīng)退行性疾病神經(jīng)退行性疾病靶標及先導化合物靶標及先導化合物 代謝、免疫疾病代謝、免疫疾病靶標及先導化合物靶標及先導化合物 感染性疾病感染性疾病靶標及先導化合物靶標及先導化合物.38 生物標志物與疾病診斷生物標志物與疾病診斷的手段的發(fā)展的手段的發(fā)展 生命復(fù)雜體系生命復(fù)雜體系的化學組裝與人工模擬的化學組裝與人工模擬 納米技術(shù)納米技術(shù)與化學生物學融合與化學生物學融合.39 生命科學新技術(shù)生命科學新技術(shù) （如新一代基因測序技術(shù)、超分

24、辨成像、單分（如新一代基因測序技術(shù)、超分辨成像、單分 子研究，等等）子研究，等等） 新理論和計算方法新理論和計算方法 （如活性分子的設(shè)計理論，生物分子功能的（如活性分子的設(shè)計理論，生物分子功能的 理論預(yù)測，生物網(wǎng)絡(luò)的計算與模擬，生物體理論預(yù)測，生物網(wǎng)絡(luò)的計算與模擬，生物體 系分子動態(tài)學研究）系分子動態(tài)學研究）.一一. 化學生物學概述化學生物學概述二二. 細胞死亡的化學生物學研究細胞死亡的化學生物學研究.活性化學小活性化學小分子探針分子探針基礎(chǔ)生命科基礎(chǔ)生命科學研究學研究轉(zhuǎn)化醫(yī)學轉(zhuǎn)化醫(yī)學創(chuàng)新藥物研究創(chuàng)新藥物研究發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) 制備制備評價評價研究背景：利用活性小分子探索化學與生物醫(yī)學交叉研究背景：利用

25、活性小分子探索化學與生物醫(yī)學交叉.研究策略研究策略細胞死亡的細胞死亡的小分子化學調(diào)控小分子化學調(diào)控高通量篩選高通量篩選化學遺傳學化學遺傳學活性天然產(chǎn)物活性天然產(chǎn)物導向的化學導向的化學生物學生物學通過天然產(chǎn)合成化學、化學遺傳學、分子生物學等多學科交叉，利用活性小分子研究細胞死亡的生物作用機制和調(diào)控方法Nat. Chem. Biol. 2015, under reviewNat. Chem. Biol. 2013, 9, 84-89Cell 2012, 148, 213-227Cell Res. 2010, 20, 1289-1305Nat. Commun. 2015, 6, 6522Angew.

26、 Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1011-1015Nat. Commun. 2014, 5, 4614Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12111-12115Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9257-9261J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4996-4999J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 12414-12417Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 491-495.43研究背景：經(jīng)典的細胞死亡途徑（細胞凋亡和壞死）研究背景：經(jīng)典的細胞死亡

27、途徑（細胞凋亡和壞死）細胞凋亡細胞凋亡 (apoptosis)細胞壞死細胞壞死 (necrosis)細胞死亡的分子作用機制和調(diào)控方法細胞死亡的分子作用機制和調(diào)控方法科學難點：調(diào)控基因致命性，信號轉(zhuǎn)導通路復(fù)雜科學難點：調(diào)控基因致命性，信號轉(zhuǎn)導通路復(fù)雜研究現(xiàn)狀：經(jīng)典生物遺傳學無法闡明所有未知生物同路；研究現(xiàn)狀：經(jīng)典生物遺傳學無法闡明所有未知生物同路； 高效，可視，可控，定量化的化學方法亟待發(fā)展高效，可視，可控，定量化的化學方法亟待發(fā)展.Hallmarks of CancersHanahan and Weinberg Cell 2011, 144, 646.Amyotrophic lateral s

28、clerosis (ALS)-肌萎縮側(cè)索硬化癥.Extrinsic Pathways for Programmed Cell DeathOur aims: using small molecules to dissect and modulate cell death!necroptosis.Forward chemical-genetics includes screening exogenous ligands with a cell-based assay, selecting a ligand that shows a phenotype of interest, and identi

29、fying the protein target(s) of this ligand. Reverse chemical-genetics includes overexpressing a protein of interest, screening for a chemical ligand for the protein, and using the ligand to determine the phenotypic consequences of altering the function of this protein in a cellular context.Chemical

30、Genetics Using Small Molecules.Advantages of Chemical Genetics Chemical genetic tools are more effective for studying essential genes or transient processes and in most part, feasible in the system most relevant to human health. Chemical genetic approach using small molecules is complementary to the

31、 classic genetic methods, because these small molecules act conditionally and rapidly, and can directly target the genes protein product. They can also hit on several proteins simultaneously, and can be used in a combination for multiple pathways in cultured human cells. In addition, if a study rela

32、tes to human disease, a small molecule may also serve as a lead compound for drug development.Beckman FX, ORCA Optimized Robot, Microplate Carousel and Paradigm Detection Platform.Development of a Robust Bioassay for High-throughput Screening (HTS)Taking advantage of the robustness of necrosis induc

33、ed by the combina-tional treatment of TNF-a, Smac mimetic, and z-VAD-fmk, We screened a chemical library of 200,000 for compounds that block necrosis Cell-based assay for screening inhibitors of necrosis. HT-29 cell was pre-treated with DMSO or positive control necrostatin-1 (Nec-1) for 1 hour, foll

34、owed by the treatment of DMSO alone or TNFa/Smac mimetic/z-VAD for additional 72 hours. Cell viability was determined by measuring ATP level using cell-titer glo assay (Promega)NHNHNOSnecrostatin-1Yuan et al, Nat. Chem. Biol. 2008, 313.Identification of Hit 14 from HTS.Synthetic Plan for Structural

35、Modifications of Hit.Substitution at R1by methylis preferred, by propargyl,benzyl or hydrogen reducethe activity.Substitution at R2 by H is preferred , by Br or alkyl littlereduce the activity.Double bond is criticalfor the activityReplaced by pyrimidine little reduces the activity. 2-NO2 thiophene

36、is indispensable, 3-NO2 thiophene reduces activity ，2-Br thiophene is inactive Furan ring reduces activity,and increased toxicity, other nitro-substitutedaromatic ring also reduces activitySAR Studies of the Hit Compound.Necrosulfonamide (NSA) and Its Negative Analogs.The Effects of Necrostatin-1 an

37、d Necrosulfonamide (NSA) on RIP3.The Effect of Necrosulfonamide (NSA) on the RIP1/RIP3 Interaction.Identification of the Mixed Lineage Kinase Domain-like Protein (MLKL) as a Necrosome Component.Evaluation of MLKL as a Valid Target for Necrosis 1. Is MLKL critical for necrotic pathway? 2. Is MLKL the

38、 cellular target for necrosulfonamide (NSA)?We plan to use NSA-based chemical probes to address this question!.Insertion of a long, rigid polyproline helix between a small-molecule bait and a biotin tag boosts the capacity of affinity purification and thereby allows for the isolation of low-abundanc

39、e or low-affinity proteins.J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 873-880Design of the Chemical Probe.Synthesis of the Key Intermediates.Synthesis of the Chemical Probes.Identification of the Target Protein through Pull-down Experiment.Identification of MLKL as the Cellular Target of Necrosulfonamide (NSA).Identification of Cys86 of MLKL as the Necrosulfonamide-binding Residue.65利用活性小分子發(fā)現(xiàn)全新的細胞壞死分子作用機制利用活性小分子發(fā)