化學(xué)生物學(xué)（基礎(chǔ)化學(xué)研究生命過(guò)程）

化學(xué)生物學(xué)（基礎(chǔ)化學(xué)研究生命過(guò)程）基礎(chǔ)化學(xué)研究生命過(guò)程01學(xué)科產(chǎn)生逆向研究法蛋白質(zhì)研究正向研究法基因表達(dá)目錄03050204基本信息化學(xué)生物學(xué)是研究生命過(guò)程中化學(xué)基礎(chǔ)的科學(xué)。疾病的發(fā)生發(fā)展是致病因子對(duì)生命過(guò)程的干擾和破壞；藥物的防治是對(duì)病理過(guò)程的干預(yù)?；瘜W(xué)生物學(xué)通過(guò)用化學(xué)的理論和方法研究生命現(xiàn)象、生命過(guò)程的化學(xué)基礎(chǔ)，通過(guò)探索干預(yù)和調(diào)整疾病發(fā)生發(fā)展的途徑和機(jī)理，為新藥發(fā)現(xiàn)中提供必不可少的理論依據(jù)。學(xué)科產(chǎn)生學(xué)科產(chǎn)生Schreiber博士化學(xué)生物學(xué)是自90年代中期以來(lái)的新興研究領(lǐng)域。哈佛大學(xué)的Schreiber博士和Scripps研究所的Schultz博士分別在東西海岸作為領(lǐng)域的先驅(qū)，他們的所在地所形成的重心地位甚至在加強(qiáng)。從源頭來(lái)講，化學(xué)是研究分子的科學(xué)，生物化學(xué)，分子生物學(xué)，還有生物學(xué)化學(xué)都是一樣的。但是由于科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)的習(xí)慣稱(chēng)謂，我們通常使用生物化學(xué)指蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和活性的研究，用分子生物學(xué)指基因表達(dá)和控制的研究，用化學(xué)生物學(xué)指分子水平上的生物現(xiàn)象的研究。Schultz博士與這些相比，化學(xué)生物學(xué)使用小分子作為工具解決生物學(xué)的問(wèn)題或通過(guò)干擾/調(diào)節(jié)正常過(guò)程了解蛋白質(zhì)的功能。在某種意義上，使用小分子調(diào)節(jié)目標(biāo)蛋白質(zhì)與制藥公司發(fā)展新藥類(lèi)似。但是，人類(lèi)基因組計(jì)劃為我們帶來(lái)了至少幾萬(wàn)個(gè)目標(biāo)蛋白質(zhì)。最終的目標(biāo)是尋找特異性調(diào)節(jié)素或?qū)ふ医忾_(kāi)所有蛋白質(zhì)之謎的鑰匙，但這需要更系統(tǒng)和整體的方法而并非傳統(tǒng)方法?；瘜W(xué)生物學(xué)看起來(lái)是有希望的答案。系統(tǒng)的化學(xué)生物學(xué)僅僅誕生于90年代中期，部份是由于基礎(chǔ)條件到那時(shí)才剛剛完備。代表性的技術(shù)進(jìn)步包括機(jī)器人工程，高通量及高靈敏度的生物篩選，信息生物學(xué)，數(shù)據(jù)采集工具，組合化學(xué)和芯片技術(shù)例如DNA芯片?；瘜W(xué)生物學(xué)更普遍的被叫做化學(xué)遺傳學(xué)（chemicalgenetics），而且它正在擴(kuò)展到化學(xué)基因組學(xué)。和經(jīng)典遺傳學(xué)相比較，小分子并不是取代或超越基因表達(dá)，而是被用于抑制或活化翻譯過(guò)程?；瘜W(xué)生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)與合成生物學(xué)，在生物芯片技術(shù)、計(jì)算模型方法與基因網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等方面構(gòu)成了現(xiàn)代系統(tǒng)生物學(xué)與系統(tǒng)遺傳學(xué)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。正向研究法綜述制得化合物目標(biāo)現(xiàn)象目標(biāo)蛋白質(zhì)正向研究法綜述在正向法中，目標(biāo)生物學(xué)現(xiàn)象第一次被定義，然后引起被尋找現(xiàn)象的分子選擇自許多被應(yīng)用的分子。被選擇的分子能被附到某些蛋白質(zhì)上而且抑制/活化它們，引發(fā)重要的修飾，然后與分子相連的蛋白質(zhì)被檢查并研究。下面是使用正向法發(fā)現(xiàn)和發(fā)展肌基質(zhì)蛋白的例子。制得化合物首先，為了獲得足量得化合物以引發(fā)要得到的現(xiàn)象，通過(guò)組合化學(xué)的合成方法制得嘌呤文庫(kù)。多種化合物可與放射性研究引起的不同變異相比較。有關(guān)文庫(kù)合成及應(yīng)用在其它章節(jié)有詳述。目標(biāo)現(xiàn)象已經(jīng)分化的神經(jīng)原細(xì)胞和肌肉細(xì)胞很少被增殖。因此，一旦受傷，細(xì)胞長(zhǎng)不好，恢復(fù)很難。這項(xiàng)研究的最初目的是為了找到一種化合物來(lái)引起改變肌肉細(xì)胞分化，達(dá)到再生目的。分化的肌肉組織構(gòu)成交織的管狀結(jié)構(gòu)。幾百個(gè)嘌呤類(lèi)化合物被在96孔圓片上植入潛伏肌肉組織中，找到了能夠分離相連接的組織的化合物。這種化合物自肌管（myotube）隔斷（severing）嘌呤（purine）命名為myoseverin（肌基質(zhì)蛋白）。事實(shí)上，肌基質(zhì)蛋白并不僅切斷肌管分離細(xì)胞，而且洗滌化合物并添加必需的養(yǎng)分以幫助增殖。更令人激動(dòng)的是如果增殖的細(xì)胞開(kāi)始分化，它們又造出肌管。換言之，如果這種化合物被注入組織，一部分肌肉細(xì)胞就可期望再度生長(zhǎng)并增殖，因而產(chǎn)生新的肌肉組織。目標(biāo)蛋白質(zhì)雖然發(fā)現(xiàn)能夠誘導(dǎo)需要的現(xiàn)象的化合物是最重要的前步驟，對(duì)與化合物反應(yīng)的目標(biāo)蛋白質(zhì)的細(xì)致檢查然后理解其活性和角色才是真正的辛苦工作。如果需要的現(xiàn)象定義得好，是否存在活性化合物的研究結(jié)果可以在短時(shí)間內(nèi)顯示。在肌基質(zhì)蛋白的例子中，當(dāng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)迅速改變時(shí)，預(yù)計(jì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的構(gòu)建蛋白質(zhì)受到進(jìn)攻，可以使用帶有熒光標(biāo)記的抗體觀(guān)察細(xì)胞圖像。然后是染色的肌球蛋白，它是體細(xì)胞的重要組成部分。綠色的是肌球蛋白，藍(lán)色的是核。肌基質(zhì)蛋白處理前后的差異是顯而易見(jiàn)的。在肌基質(zhì)蛋白處理之前，細(xì)胞被統(tǒng)一連接，但是處理后，可以看到細(xì)胞相互分離。然而，是否肌球蛋白是目標(biāo)蛋白質(zhì)還不能確定。一些骨骼蛋白質(zhì)是染色了的但是結(jié)果是相似的?？墒?，當(dāng)使用微管蛋白使微管染色的時(shí)候，卻得到了有趣的數(shù)據(jù)。同樣，綠色是微管蛋白，藍(lán)色是核。在被肌基質(zhì)蛋白處理之前，與先前的照片類(lèi)似，細(xì)胞與微管緊密相連，但是以肌基質(zhì)蛋白處理過(guò)的細(xì)胞表現(xiàn)出破裂的微管。因此，一般猜測(cè)肌基質(zhì)蛋白直接的或間接的攻擊微管蛋白或微管。微管是個(gè)管形結(jié)構(gòu)，含有a，b微管蛋白組合，它參與了支持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和染色體運(yùn)動(dòng)。正向法和逆向法微管蛋白有GTP連接位點(diǎn)，也是制造微管過(guò)程中GTP水解制得GDP的GTP酶。微管含有增長(zhǎng)+末端和消除-末端。在細(xì)胞分裂中，染色體轉(zhuǎn)移需要良好控制的微管的形成和破壞。天然物質(zhì)（vincaalkaloids，cholchicine），破壞微管或阻止微管蛋白的合成，干擾正常細(xì)胞的分裂。Cholchicine是被用于無(wú)核西瓜的物質(zhì)。逆向研究法逆向研究法綜述在逆向法中，目標(biāo)蛋白質(zhì)受到化學(xué)物質(zhì)進(jìn)攻，首先被分類(lèi)，然后可以通過(guò)觀(guān)察插入相關(guān)化學(xué)物時(shí)的結(jié)果作用來(lái)分析目標(biāo)蛋白質(zhì)的體外功能。這里有一個(gè)這種方法的實(shí)例：purvalanol的發(fā)展和應(yīng)用。目標(biāo)蛋白質(zhì)細(xì)胞周期和CDK細(xì)胞分裂是多種完備功能的蛋白質(zhì)的和諧演出。CDK（細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶）是每步細(xì)胞分裂中的控制開(kāi)關(guān)蛋白質(zhì)，其中，CDK2參與了G1到S而CDK參與了G2到M。一些尋找它們特定功能的研究非?；钴S，正在進(jìn)展。所以，在這項(xiàng)研究中我們決定尋找能夠抑制CDK1或CDK2功能的化合物。CDK的發(fā)展以正向法制得的嘌呤文庫(kù)被用于在純凈的CDK1和CDK2上篩選酶抑制劑。之所以使用嘌呤是為了讓嘌呤類(lèi)物質(zhì)通過(guò)輔酶與ATP競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)。為了加速篩選過(guò)程，通過(guò)使用放射性標(biāo)記的ATP和組蛋白在96圓片上使酶活化，然后測(cè)量磷酸基自用硝基纖維素濾紙過(guò)濾出的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到組蛋白這過(guò)程中的所有的放射性。由olomocine起始（IC507mM），幾步重復(fù)之后我們得到約1000倍活化的purvalanol系列化合物。這些化合物同等程度抑制CDK1和CDK2。這是因?yàn)閮煞N酶都是通過(guò)非常相似的路線(xiàn)建立起來(lái)的，它們的ATP結(jié)合位點(diǎn)也相似?；虮磉_(dá)研究方法正向法研究逆向法研究反義低聚物RNA介入12345基因表達(dá)研究方法盡管99%的人類(lèi)基因組序列已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，還有1%的工作要做，下一步最重要的工作卻是找出基因的功能。從研究基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)入手來(lái)解釋物種特征是遺傳學(xué)的工作。經(jīng)典遺傳學(xué)在研究基因表達(dá)上有兩種方法；一種是正向法（forwardapproach）另一種是逆向法（reverseapproach）。估計(jì)正向法的命名是由于先鋒遺傳學(xué)家們嘗試猜想究竟哪個(gè)基因?qū)σ粋€(gè)性狀產(chǎn)生影響并引用分子遺傳學(xué)來(lái)證實(shí)。而逆向法得名于采用不同的方法尋找DNA標(biāo)記點(diǎn)和性狀之間的聯(lián)系，無(wú)需知道疾病起因。正向法研究在正向法中從遺傳疾病患者或者由X光照射引起突變的基因中選擇出非正常性狀，然后尋找基因和性狀之間的聯(lián)系。由于發(fā)現(xiàn)X光照射能引起突變，HermannJosephMuller獲得了1946年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。逆向法研究基因可以通過(guò)敲除（Knockout）而刪除或者超量表達(dá)（Overexpression）而增加。在逆向法中采用了基因工程技術(shù)，通過(guò)分析改變特定基因而引起的性狀改變來(lái)發(fā)現(xiàn)基因的表達(dá)和活動(dòng)。然而有時(shí)由于一些基因的活動(dòng)被其他蛋白質(zhì)刪除后的補(bǔ)償作用所替代，性狀改變難以觀(guān)測(cè)甚至被忽略掉。同時(shí)，由于性狀改變有可能是由于蛋白質(zhì)異常活動(dòng)的第二或第三重影響，雖然這種性狀改變可以觀(guān)測(cè)，慎重的確認(rèn)過(guò)程仍是需要的。改性基因的誘導(dǎo)作用通常不斷積累，證據(jù)就是在足夠的觀(guān)察之前胚胎發(fā)育并可能殺死該生物。如果基因在生長(zhǎng)中有不同的作用，這種基因是不適合研究的。因此有時(shí)觀(guān)察特征修飾時(shí)特定基因表達(dá)被暫時(shí)抑制。這時(shí)，反義低聚物和能與mRNA反應(yīng)并阻止蛋白質(zhì)合成的RNAi被成功使用。反義低聚物反義低聚物反義低聚物是DNA和RNA的類(lèi)似物，而且其對(duì)RNA的互補(bǔ)序列與mRNA偶合并阻止翻譯。由于mRNA序列含有合成蛋白質(zhì)的信息，這被稱(chēng)作'義'序列，而其互補(bǔ)序列由于具有對(duì)義信息的抑制作用而稱(chēng)為'反義'序列。一旦反義低聚物與mRNA成鍵形成雙螺旋，雙鏈特異性RNaseH被活化而破壞這些信息。如果RNaseH不被活化，對(duì)蛋白質(zhì)合成的抑制可在翻譯階段發(fā)生。這種方法久已研究，被稱(chēng)作基因療法，但是天然DNA和RNA的負(fù)電荷導(dǎo)致了將它們注入細(xì)胞的許多問(wèn)題。所以，使用了通過(guò)改變反義低聚物的結(jié)構(gòu)而消除電荷或者使用聚胺作穿越細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)體的方法。截止到2013年供研究使用的最成功的反義低聚物是Morphlino低聚物。這個(gè)領(lǐng)域最先進(jìn)的公司是ISIS他們有些產(chǎn)品已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段。另一家公司W(wǎng)elgene正在發(fā)展針對(duì)更穩(wěn)定的反義分子的環(huán)形低聚物。RNA介入RNAi（RNA介入）是一個(gè)雙鏈RNA，一鏈具有與目標(biāo)mRNA相同的序列和強(qiáng)抑制作用。RNAi最早于1995年在C-elegans中的反義低聚物實(shí)驗(yàn)時(shí)被偶然發(fā)現(xiàn)。一般發(fā)現(xiàn)義和反義混合物較反義本身表現(xiàn)出對(duì)為mRNA更強(qiáng)的抑制作用。進(jìn)一步的研究證實(shí)不足量的雙鏈足以完全抑制，而且表現(xiàn)出對(duì)序列的特定倍增。也已知它不但抑制蛋白質(zhì)合成，而且mRNA本身的量也在幾小時(shí)內(nèi)減少。雖然精確的機(jī)理仍然不甚了解，但是對(duì)抗病毒或轉(zhuǎn)位子的天然防御機(jī)制是其發(fā)生作用的一個(gè)模型。由于雙鏈RNA在我們體內(nèi)不多，一旦被發(fā)現(xiàn)就被自我防御機(jī)制視為異體，比如RNaseH。這樣的21-23mer的碎片被解鏈酶分為單鏈。單鏈將與mRNA結(jié)合，形成更多的雙鏈，這就進(jìn)入了倍增循環(huán)。蛋白質(zhì)研究蛋白質(zhì)研究化學(xué)生物學(xué)使用的大多數(shù)協(xié)議使用將小分子與天然蛋白質(zhì)成鍵然后控制它們的方法。然而，當(dāng)目標(biāo)蛋白質(zhì)在大的官能團(tuán)中存在的時(shí)候，選擇性的控制每個(gè)蛋白質(zhì)非常困難。激酶（Kinase）在體內(nèi)是一種使用ATP作磷酸化蛋白質(zhì)及其它底物的輔助因子的酶。蛋白質(zhì)磷酸化，是重要的信號(hào)傳遞系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的修飾。當(dāng)生長(zhǎng)因子或激素綁到一個(gè)細(xì)胞表面上的受體時(shí)，多種激酶逐漸活化，信號(hào)被傳輸。有時(shí)，一種激酶通過(guò)磷酸化活化另一種。因此，如果我們能將某個(gè)激酶磷酸化特定蛋白質(zhì)的途徑做成譜圖，這將為解釋細(xì)胞與細(xì)胞表面受體結(jié)合后細(xì)胞內(nèi)信號(hào)如何傳遞提供重要線(xiàn)索。一個(gè)研究方法是在存在以放射性標(biāo)記磷酸基的ATP給出的信號(hào)同時(shí)，檢測(cè)蛋白質(zhì)與放射性標(biāo)記的P成的鍵。雖然如此，因?yàn)橐呀?jīng)知道人體內(nèi)存在數(shù)以千計(jì)的激酶，找出每種激酶的功能并不容易，因?yàn)樗鼈冇锌赡苁侵鸩交罨?，也可能是平行的。微管蛋白（Tubulin）和微管（Microtubule)加州大學(xué)舊金山分校的Shokat博士發(fā)展了一種新的方法以解決這個(gè)問(wèn)題。每個(gè)激酶包含ATP成鍵位點(diǎn)，而且它們有非常相似的結(jié)構(gòu)。Shokat研究組選擇