指导演化：新药发现下一次革命？

【新闻事件】：今天《自然药物发现》杂志发表一篇阿斯列康和赛诺菲科学家合作撰写题为“指挥演化：新药发现下一次革命？”的文章。该文介绍了利用演化基本原理发现新型药物的现状和未来趋势，文章介绍不少现在产生生物活性化合物的新技术。虽然现在离高速突变、自然选择合成结构复杂小分子药物的理想状态还有不少技术空白需要填补，但这个领域也确实初具规模。几个关键技术（大量多样化化合物的合成与鉴定、自然选择目标分子、摆脱多肽限制进入小分子类药化合物等）的雏形已经形成，只是尚未完全整合在一起形成一个高效技术平台。

【药源解析】：虽然药物分子其貌不扬，但几乎每个药物的每个原子都是有其存在的原因的，任何微小改动都可能无法成药。所以新药发现是个万里挑一的过程，这和自然界物竞天择、适者生存的优胜劣汰过程有很大相似之处。所以利用自然选择原理发现新药也是早就存在的理念，只是技术上存在诸多障碍。过去20年曾出现动态化合物库合成、DNA programmed合成（不同于DNA encoded library）等技术，但受到适用化学反应和结构类型的限制基本没有对先导物/药物发现造成太大影响。

要模拟自然选择我们要有一个通过随机突变产生大量化合物的生物体系、高效鉴定这些化合物结构的手段、和一个选择机制。对于多肽化合物库，现在细胞外可以达到10亿以上级别，细胞内也可以达到近一亿，所以数量和多样性都不是问题。因为多肽可以通过各种展示（display）技术和其DNA序列偶联在一起，所以结构鉴定也相对简单。

但这两点对天然产物衍生物则是巨大障碍。90年代起很多人通过变异天然产物（主要是polyketide）合成不同步骤的酶生物合成其类似物，但影响有限。一是可改变的结构片段有限，与多肽不可同日而语。二是变异酶活性和底物识别能力可能大大下降。三是酶基因改变和化学结构脱钩（中间除了基因翻译还有其它步骤），所以结构鉴定难度也与天然产物分离鉴定无异。现在天然产物类似物仍然是整个计划的一块短板。

现在选择步骤主要还是人工选择，即通过活性捕捉（和某个蛋白结合能力较高）、荧光等技术选择需要的化合物。这说白了就是高通量筛选，所谓演化就是在首轮发现的活性骨架上继续修饰开始下一轮HTS。虽然这个过程有点笨拙，但是也能找到很多有用的化合物，文章给了十几个例子，有兴趣的读者可以去看看该文的表1。

但是最近自然选择技术也开始出现。比如一个叫做two-hybrid的技术可以在细胞内选择与特定蛋白结合的多肽。比如HIF1alpha/HIF1beta二聚物可以导致抑制细胞生长蛋白的表达，所以阻断这个蛋白/蛋白相互作用可以令细胞有生存优势。有人把这个体系与一个叫做SICLOPPS的细胞内环肽合成体系偶联后（可合成100万到一亿环肽）找到一类Ki在100 nM左右的HIF二聚物阻断剂。

一个更接近自然选择的体系是去年哈佛大牛David Liu发明的。他们利用一个叫做PACE的two-hybrid体系系统寻找新型Bt毒素。引入Bt毒素是现在转基因作物的主要手段，以杀死害虫。但是害虫可以通过变异Bt受体产生对Bt毒素耐受。这个工作利用E. Coli筛选不断变异的Bt毒素。他们把与变异受体结合与一个促进E. Coli生存的蛋白表达偶联起来，通过连续稀释淘汰生存力不足的E. Coli（即含有与Bt受体结合力较差Bt毒素类似物的宿主细菌）。经过22天、500辈繁殖筛选，作者找到与变异Bt受体高强度结合的Bt病毒（~20nM）。这个技术理论上可以用于其它靶点配体的发现。

所以指导演化技术现在的情况是变异主要靠体外、选择主要靠人脉、化合物主要靠多肽。虽然多肽也可能成为药物，在靶点确证阶段更是有很大价值，但是我们希望生物技术的发展能令通过自然选择筛选天然产物类似物的宏伟目标早日实现。

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