1946年夏天，美國馬納斯寬河畔。

       5歲的巴里·夏普萊斯，高興地向大家展示自己人生中釣到的第一條大魚。

       那時(shí)候，他的夢(mèng)想是可以擁有自己的漁船，出海釣上一條稀世罕見的腔棘魚。

       他一定沒想到，日后雖然沒有實(shí)現(xiàn)做漁夫的夢(mèng)想，卻從數(shù)十億分子中，“釣出”了新藥這條“大魚”。

       時(shí)間來到2022年10月，81歲的巴里·夏普萊斯，與其他兩位科學(xué)家，獲得了2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诎l(fā)展點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)方面的貢獻(xiàn)。

       這已經(jīng)是他第二次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

       那么，點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)研究為何能獲得諾獎(jiǎng)？點(diǎn)擊化學(xué)如何助力DNA編碼化合庫（DEL），改變藥物研發(fā)？

       DNA編碼化合庫起源

       30年前，由Scripps研究所的化學(xué)家勒納（Richard Lerner）和同事、2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲得者希布倫納提出的DNA Encoded Library（DEL，DNA編碼化合庫）概念受到了高度關(guān)注。

       勒納回憶說，他和希布倫納在討論化學(xué)和生物學(xué)之間的區(qū)別時(shí)，提出了這個(gè)概念。

       藥物和天然產(chǎn)物等小分子與生物分子的不同之處，在于它們不以代碼的形式攜帶信息。

       “小分子不會(huì)告訴你他們是誰，其次，他們不會(huì)復(fù)制。”

       小分子可以通過在化學(xué)合成的每個(gè)步驟后將一段DNA連在基團(tuán)上，從而賦予每個(gè)分子可復(fù)制的身份。

       直到20世紀(jì)90年代末，科學(xué)家還設(shè)想了一些替代的編碼策略。

       但DNA的選擇性擴(kuò)增能力，極大地促進(jìn)了DNA編碼化合庫的篩選。

       因此，在2000年代初，DNA組合化學(xué)經(jīng)歷了一次復(fù)興，分叉出幾個(gè)獨(dú)立的平臺(tái)。

       比如能夠進(jìn)行分子進(jìn)化的DEL平臺(tái)，得益于使用商業(yè)可購買的試劑，能夠直接生成大量化合庫。

       比如在2017年，丹麥生物制藥公司Nuevolution宣布它已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)包含40萬億個(gè)獨(dú)特分子的庫——這很可能是世界上最大的合成化合物集合。

       DNA編碼庫讓研究人員可以在一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)中篩選數(shù)百萬、數(shù)十億甚至數(shù)萬億種化合物，這要?dú)w功于一個(gè)DNA標(biāo)簽，該標(biāo)簽對(duì)庫中每個(gè)組件的制作方式進(jìn)行了編碼。

       圖1 在一個(gè)2毫升試管中建造含有40億DNA編碼化合物的示意圖

       圖源：C&CN雜志

       哈佛大學(xué)和Broad研究所劉如謙教授（David Liu）開發(fā)的DNA模板合成平臺(tái)(DTS)可以編程有機(jī)小分子和聚合物的化學(xué)反應(yīng)。

       通過這個(gè)平臺(tái)發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)具有生物活性的合成小分子家族，例如與癌癥有關(guān)的激酶抑制劑和糖尿病相關(guān)的胰島素降解酶(IDE)抑制劑。

       順便一提，劉教授最近還開發(fā)了一種全新的精準(zhǔn)基因編輯工具：

       先導(dǎo)編輯（Prime Editor，PE）自然雜志評(píng)論這一技術(shù)是“超精確的新型基因編輯工具”，科學(xué)雜志評(píng)論它是“超越CRISPR”的重大突破。有機(jī)會(huì)下次再聊。

       言歸正傳，篩選DNA編碼化合庫涉及將藥物靶標(biāo)暴露于該化合物分子庫。

       不結(jié)合的分子被沖走，而那些結(jié)合的小分子被放大和測(cè)序。

       圖2 使用DEL平臺(tái)篩選藥物的示意圖

       圖源：改編自ChemMedChem論文

       勒納說：“天文數(shù)字的化合物一直是有機(jī)化學(xué)中識(shí)別身份的老大難問題。”

       但通過DNA編碼技術(shù)，科學(xué)家們可以獲取大量分子，并為每個(gè)分子賦予一個(gè)攜帶信息的識(shí)別標(biāo)記。

       點(diǎn)擊化學(xué)助力DNA

       編碼庫突破技術(shù)痛點(diǎn)

       點(diǎn)擊化學(xué)，是夏普萊斯1999命名的一種非常強(qiáng)大的技術(shù)，可用于快速有效地進(jìn)行分子實(shí)體的共價(jià)結(jié)合，通過簡單高效的幾個(gè)化學(xué)反應(yīng)快速建立新的化學(xué)空間。

       疊氮化物和炔烴基團(tuán)可以很容易地引入生物相關(guān)的有機(jī)結(jié)構(gòu)支架中。

       這些基團(tuán)對(duì)其他生物底物（如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸）的大多數(shù)功能部分沒有影響，因此可以認(rèn)為是生物正交相容的。

       然而，四十多年來，疊氮化物和炔烴反應(yīng)的應(yīng)用受到高溫、耗時(shí)長和特異性差等限制發(fā)展緩慢。

       兩度獲得諾獎(jiǎng)的夏普萊斯教授通過引入銅作為催化劑解決了這些限制。

       “點(diǎn)擊化學(xué)”操作簡單、易模塊化并且生物相容性良好，迅速引起了大家對(duì)疊氮化物-炔烴環(huán)加成（AAC）在DNA編碼庫合成領(lǐng)域應(yīng)用的興趣。

       因?yàn)榀B氮化物和炔烴基團(tuán)易于修飾和生物相容的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于以前使用的酶促技術(shù)，可以更高效地對(duì)DNA進(jìn)行標(biāo)記、連接和環(huán)化。

       圖3 點(diǎn)擊反應(yīng)滿足了DNA編碼庫（DEL）所需的關(guān)鍵：容易制造但結(jié)構(gòu)多樣

       圖源：文獻(xiàn)整理

       成功案例

       葛蘭素史克公司將其化合物GSK2982772（源自DNA編碼化合庫）推進(jìn)到銀屑病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和潰瘍性結(jié)腸炎患者的二期臨床試驗(yàn)。

       GSK2982772抑制RIP1激酶，這是一種與炎癥有關(guān)的酶。

       為了開發(fā)RIP1激酶抑制劑，葛蘭素史克的科學(xué)家們首先篩選了該公司的一組已知激酶抑制劑，但他們雖然找到了如圖所示的許多II型（DFG-out）抑制劑。

       由于高親脂性、低溶解度和一系列脫靶活性,不適合繼續(xù)研發(fā)。

       接著，使用隨機(jī)篩選的方法篩出GSK963，但不適合口服。

       于是，GSK公司采用的最后一種方法是針對(duì)其內(nèi)部的含有77億化合物的DNA編碼庫篩選RIPK1抑制劑，結(jié)果找到了苗頭化合物GSK481，接著通過傳統(tǒng)藥物化學(xué)方法，最終將GSK481的異惡唑換成了三唑，得到了臨床候選藥物GSK2982772。

       GSK團(tuán)隊(duì)隨后的研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的化合物GSK2982772，對(duì)所有339種測(cè)試激酶的選擇性超過一萬倍。

       圖4 GSK篩選出的化合物結(jié)構(gòu)及簡介

       圖源：文獻(xiàn)整理

       圖5（左）GSK2982772以類似激酶抑制劑III型的方式與ATP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，占據(jù)變構(gòu)口袋，同時(shí)不與RIPK1的鉸鏈區(qū)相互作用。

       （右）GSK2982772對(duì)RIPK1具有極強(qiáng)的選擇性，在10 uM濃度抑制劑測(cè)試中對(duì)任何其他激酶的抑制小于50%。

       圖源：論文整理

       DEL面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

       據(jù)估算傳統(tǒng)合成100萬個(gè)化合物的高通量篩選化合庫的成本在24億到180億人民幣之間，大約每個(gè)化合物6,600元。

       另一方面，一個(gè)包含8億種化合物的DNA編碼化合庫的成本約為70萬人民幣——每個(gè)化合物約0.0012元。

       這使得DNA編碼化合庫成為小公司、初創(chuàng)藥企或大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)很好的起點(diǎn)，他們還沒有大量的高通量篩選庫可供使用。

       但即使有成本節(jié)約和化學(xué)空間的大規(guī)模擴(kuò)展，該技術(shù)并不是萬金油。

       該技術(shù)還是對(duì)現(xiàn)有方法的補(bǔ)充，它并不比高通量篩選好，只是一種不同的方式。

       理想情況下，新藥開發(fā)團(tuán)隊(duì)會(huì)想要兩者都做。

       盡管DNA編碼化合庫具有革命性的地位，但它們并非沒有挑戰(zhàn)。化學(xué)家經(jīng)常想知道附著在化合物上的巨大的DNA條形碼是否會(huì)干擾它與靶標(biāo)的結(jié)合方式。

       另一個(gè)限制是，任何用于構(gòu)建DNA編碼化合庫的化學(xué)物質(zhì)都必須能夠耐受水，因?yàn)镈NA需要水溶液。

       反應(yīng)條件還必須保持DNA完整，受損的DNA無法擴(kuò)增或測(cè)序。DEL發(fā)展也不是一帆風(fēng)順，當(dāng)古利耶夫（Alex Haahr Gouliev）2000年剛創(chuàng)辦Nuevolution公司時(shí)，制藥公司和風(fēng)險(xiǎn)投資家會(huì)告訴他，合成這么大的庫沒有意義。

       投資人問：“你不知道組合化學(xué)已經(jīng)失敗了嗎？而且小分子連接著DNA會(huì)極大地限制你的化學(xué)反應(yīng)，以至于你無法制造出我們感興趣的分子。”

       的確，由于90年代組合化學(xué)的失敗，許多人對(duì)DNA編碼化合庫持懷疑態(tài)度。

       而克服懷疑的最好方法是用事實(shí)，過去十年的成果再加上相關(guān)技術(shù)的突破，DEL平臺(tái)有了也迎來飛速發(fā)展。

       下面就簡單介紹一下企業(yè)布局的情況。

       國內(nèi)外企業(yè)布局

       2017年，安進(jìn)和丹麥Nuevolution簽署了一項(xiàng)合作協(xié)議，前者使用后者的DNA編碼庫來搜索針對(duì)腫瘤學(xué)和神經(jīng)科學(xué)中多個(gè)靶點(diǎn)的候選藥物。

       GlaxoSmithKline是DNA編碼文庫技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，與Warp Drive Bio建立了合作伙伴關(guān)系，以創(chuàng)建一個(gè)針對(duì)以前被認(rèn)為是“無藥可救”的目標(biāo)的文庫（聽上去很像PROTAC）。

       專注于DNA編碼文庫的成都先導(dǎo)已與強(qiáng)生公司、默克公司、輝瑞公司建立合作伙伴關(guān)系，就在最近成都先導(dǎo)與丹麥和韓國背景的國際藥企Contera宣布達(dá)成針針對(duì)罕見神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新藥研發(fā)（CP-301）戰(zhàn)略合作。

       成都先導(dǎo)是DNA編碼化合庫（DEL）技術(shù)領(lǐng)域的佼佼者之一，據(jù)官網(wǎng)報(bào)道目前已有4個(gè)項(xiàng)目獲得臨床試驗(yàn)批件并進(jìn)入臨床試驗(yàn)。

       另一家專門研究DNA編碼文庫的公司X-Chem Pharmaceuticals宣布將與Vertex Pharmaceuticals合作。

       諾華宣布使用DEL技術(shù)將其化合物收集量從300萬個(gè)增加到3億個(gè)。2018年藥明就推出了WuXi DEL和技術(shù)平臺(tái)，用來篩選小分子苗頭化合物。

       隨后藥明聯(lián)合哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、牛津大學(xué)、Scripps研究所、Salk研究所等頂 尖學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)共同發(fā)起DELopen平臺(tái)，面向?qū)W術(shù)界免費(fèi)提供一定數(shù)量的DEL化合庫，而學(xué)術(shù)界將尋找潛在的成藥靶點(diǎn)，共同快速有效地找到有成藥潛力的化合物。

       小結(jié)

       盡管存在這些挑戰(zhàn)，DNA編碼化合庫在藥物發(fā)現(xiàn)方面正在取得進(jìn)展，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家們認(rèn)為它們?cè)谖磥淼难芯抗ぷ髦凶兊酶硬豢苫蛉薄?/p>

       一切才剛剛開始。

       參考文獻(xiàn)：

       1、核酸點(diǎn)擊化學(xué)的搭便車指南

       2、DNA編碼化學(xué)：從幾個(gè)好的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)藥物

       3、DNA編碼庫如何徹底改變藥物發(fā)現(xiàn)

       4、RIPK1選擇性抑制劑GSK2982772的故事

       5、藥時(shí)代：黎健博士|分子海洋釣鯨鯤一一記諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主夏普萊斯（K.Barry Sharpless）教授