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(yú)。

       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(jiàn)的腔棘魚(yú)。

       他一定沒(méi)想到，日后雖然沒(méi)有實(shí)現做漁夫的夢(mèng)想，卻從數十億分子中，“釣出”了新藥這條“大魚(yú)”。

       時(shí)間來(lái)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，以表彰他們在發(fā)展點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)方面的貢獻。

       這已經(jīng)是他第二次獲得諾貝爾化學(xué)獎。

       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？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)或醫學(xué)獎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(shuō)，他和希布倫納在討論化學(xué)和生物學(xué)之間的區別時(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(shuí)，其次，他們不會(huì )復制。”

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

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

       但DNA的選擇性擴增能力，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)歷了一次復興，分叉出幾個(gè)獨立的平臺。

       比如能夠進(jìn)行分子進(jìn)化的DEL平臺，得益于使用商業(yè)可購買(mǎi)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(wàn)億個(gè)獨特分子的庫——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(jiǎn)單的實(shí)驗中篩選數百萬(wàn)、數十億甚至數萬(wàn)億種化合物，這要歸功于一個(gè)DNA標簽，該標簽對庫中每個(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(kāi)發(fā)的DNA模板合成平臺(DTS)可以編程有機小分子和聚合物的化學(xué)反應。

       通過(guò)這個(gè)平臺發(fā)現了幾個(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(kāi)發(fā)了一種全新的精準基因編輯工具：

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

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

       不結合的分子被沖走，而那些結合的小分子被放大和測序。

       圖2 使用DEL平臺篩選藥物的示意圖

       圖源：改編自ChemMedChem論文

       勒納說(shuō)：“天文數字的化合物一直是有機化學(xué)中識別身份的老大難問(wèn)題。”

       但通過(guò)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)攜帶信息的識別標記。

       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)結合，通過(guò)簡(jiǎn)單高效的幾個(gè)化學(xué)反應快速建立新的化學(xué)空間。

       疊氮化物和炔烴基團可以很容易地引入生物相關(guān)的有機結構支架中。

       這些基團對其他生物底物（如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸）的大多數功能部分沒(méi)有影響，因此可以認為是生物正交相容的。

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

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

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

       因為疊氮化物和炔烴基團易于修飾和生物相容的優(yōu)點(diǎn)，相對于以前使用的酶促技術(shù)，可以更高效地對DNA進(jìn)行標記、連接和環(huán)化。

       圖3 點(diǎn)擊反應滿(mǎn)足了DNA編碼庫（DEL）所需的關(guān)鍵：容易制造但結構多樣

       圖源：文獻整理

       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(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節炎和潰瘍性結腸炎患者的二期臨床試驗。

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

       為了開(kāi)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,不適合繼續研發(fā)。

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

       于是，GSK公司采用的最后一種方法是針對其內部的含有77億化合物的DNA編碼庫篩選RIPK1抑制劑，結果找到了苗頭化合物GSK481，接著(zhù)通過(guò)傳統藥物化學(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團隊隨后的研究發(fā)現優(yōu)化的化合物GSK2982772，對所有339種測試激酶的選擇性超過(guò)一萬(wàn)倍。

       圖4 GSK篩選出的化合物結構及簡(jiǎn)介

       圖源：文獻整理

       圖5（左）GSK2982772以類(lèi)似激酶抑制劑III型的方式與ATP結合位點(diǎn)結合，占據變構口袋，同時(shí)不與RIPK1的鉸鏈區相互作用。

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

       圖源：論文整理

       DEL面臨的機遇和挑戰

       據估算傳統合成100萬(wàn)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(wàn)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)驗室的一個(gè)很好的起點(diǎn)，他們還沒(méi)有大量的高通量篩選庫可供使用。

       但即使有成本節約和化學(xué)空間的大規模擴展，該技術(shù)并不是萬(wàn)金油。

       該技術(shù)還是對現有方法的補充，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(kāi)發(fā)團隊會(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(méi)有挑戰?；瘜W(xué)家經(jīng)常想知道附著(zhù)在化合物上的巨大的DNA條形碼是否會(huì )干擾它與靶標的結合方式。

       另一個(gè)限制是，任何用于構建DNA編碼化合庫的化學(xué)物質(zhì)都必須能夠耐受水，因為DNA需要水溶液。

       反應條件還必須保持DNA完整，受損的DNA無(wú)法擴增或測序。DEL發(fā)展也不是一帆風(fēng)順，當古利耶夫（Alex Haahr Gouliev）2000年剛創(chuàng )辦Nuevolution公司時(shí)，制藥公司和風(fēng)險投資家會(huì )告訴他，合成這么大的庫沒(méi)有意義。

       投資人問(wèn)：“你不知道組合化學(xué)已經(jīng)失敗了嗎？而且小分子連接著(zhù)DNA會(huì )極大地限制你的化學(xué)反應，以至于你無(wú)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(guò)去十年的成果再加上相關(guān)技術(shù)的突破，DEL平臺有了也迎來(lái)飛速發(fā)展。

       下面就簡(jiǎn)單介紹一下企業(yè)布局的情況。

       國內外企業(yè)布局

       2017年，安進(jìn)和丹麥Nuevolution簽署了一項合作協(xié)議，前者使用后者的DNA編碼庫來(lái)搜索針對腫瘤學(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)導者，與Warp Drive Bio建立了合作伙伴關(guān)系，以創(chuàng )建一個(gè)針對以前被認為是“無(wú)藥可救”的目標的文庫（聽(tīng)上去很像PROTAC）。

       專(zhuān)注于DNA編碼文庫的成都先導已與強生公司、默克公司、輝瑞公司建立合作伙伴關(guān)系，就在最近成都先導與丹麥和韓國背景的國際藥企Contera宣布達成針針對罕見(jiàn)神經(jīng)系統疾病的新藥研發(fā)（CP-301）戰略合作。

       成都先導是DNA編碼化合庫（DEL）技術(shù)領(lǐng)域的佼佼者之一，據官網(wǎng)報道目前已有4個(gè)項目獲得臨床試驗批件并進(jìn)入臨床試驗。

       另一家專(zhuān)門(mén)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(wàn)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，用來(lái)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)研究機構共同發(fā)起DELopen平臺，面向學(xué)術(shù)界免費提供一定數量的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

       盡管存在這些挑戰，DNA編碼化合庫在藥物發(fā)現方面正在取得進(jìn)展，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家們認為它們在未來(lái)的研究工作中變得更加不可或缺。

       一切才剛剛開(kāi)始。

       參考文獻：

       1、核酸點(diǎn)擊化學(xué)的搭便車(chē)指南

       2、DNA編碼化學(xué)：從幾個(gè)好的反應中發(fā)現藥物

       3、DNA編碼庫如何徹底改變藥物發(fā)現

       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)獎得主夏普萊斯（K.Barry Sharpless）教授