當(dāng)前，藥物設(shè)計及研發(fā)的一個熱門方向是構(gòu)筑雙價配體分子。該類分子是將兩個藥效明確的配體分子通過連接子偶聯(lián)形成；其中，每個配體分子分別識別兩個不同蛋白受體的位點(diǎn)、或同一蛋白受體的不同位點(diǎn)（如正構(gòu)或變構(gòu)位點(diǎn)），并通過連接子協(xié)調(diào)配體-受體的相互作用，從而增強(qiáng)藥物療效、提高藥物選擇性、并克服耐藥等[1]。雙價配體分子可以調(diào)控的蛋白受體眾多，如G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）、激酶、離子通道、氧化酶以及二聚化蛋白等。由于在藥物研發(fā)上的優(yōu)勢，雙價配體分子越來越受到國際各大研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，對許多傳統(tǒng)意義上不可成藥的靶點(diǎn)賦予新的成藥潛力，且已有雙價配體分子進(jìn)入臨床研究[2]，展示了廣闊的開發(fā)前景。
構(gòu)筑雙價配體分子的關(guān)鍵是連接子的篩選及優(yōu)化，因為它能夠通過調(diào)節(jié)兩個配體分子的空間距離及空間構(gòu)象，影響藥理學(xué)活性。當(dāng)前方法主要采用聚合物（如聚乙烯、聚乙二醇等）作為連接子來構(gòu)筑并篩選雙價配體分子，面臨以下問題：首先，聚合物連接子在合成中聚合度難以精確控制，導(dǎo)致難以精準(zhǔn)調(diào)控藥效團(tuán)之間的空間距離；其次，聚合物連接子常由單一重復(fù)單元構(gòu)成，難以實現(xiàn)配體分子與受體結(jié)合時空間取向的精細(xì)調(diào)節(jié)；此外，構(gòu)筑篩選過程中需要將不同長度及結(jié)構(gòu)組成的聚合物連接子逐一與藥效團(tuán)進(jìn)行化學(xué)偶聯(lián)，合成及純化步驟繁瑣。綜上，雙價配體分子的高效構(gòu)筑及精細(xì)調(diào)控是制約本領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問題。
近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院肖澤宇課題組與張健課題組合作，在Cell重要子刊Chem在線發(fā)表了題為DNA-modularized construction of bivalent ligands precisely regulates receptor binding and activation的研究論文，開發(fā)了DNA模塊化可編程的策略來構(gòu)筑雙價配體分子，實現(xiàn)在單脫氧核苷酸水平對受體識別及激活構(gòu)象的精細(xì)調(diào)控。該策略借鑒DNA分子的可編程構(gòu)筑方式，將兩個配體分子分別修飾成可用于DNA固相合成的“類核苷酸”藥效團(tuán)模塊，將天然脫氧核苷酸作為連接子模塊，并利用DNA固相合成儀，自動化高效構(gòu)筑雙價配體分子的篩選庫。通過編程脫氧核苷酸的數(shù)目來精細(xì)調(diào)節(jié)連接子的長度，實現(xiàn)對兩個藥效團(tuán)之間空間距離在0.33納米尺度的調(diào)控；通過編程脫氧核苷酸的堿基排列來調(diào)節(jié)連接子的結(jié)構(gòu)多樣化，實現(xiàn)對藥效團(tuán)空間取向的精細(xì)調(diào)控，從而高效篩選獲得對受體識別親和力最高、激動效能最強(qiáng)的雙價配體分子。該策略為雙價配體分子的設(shè)計開發(fā)提供了全新的思路，在藥物設(shè)計及生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
為證實此設(shè)計策略的可行性，團(tuán)隊結(jié)合各自的研究優(yōu)勢，針對同一蛋白受體的正構(gòu)和變構(gòu)位點(diǎn)，構(gòu)筑了一個“正構(gòu)-變構(gòu)”雙價配體分子，即一個配體分子與蛋白受體的正構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合，另一個配體分子與變構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合。具體而言，本工作中蛋白受體選用M1毒蕈堿型乙酰膽堿受體（M1Rs），是一類與認(rèn)知功能、腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)的GPCR受體。雙價配體分子中，一個配體分子為正構(gòu)激動劑占諾美林（簡稱X），識別M1Rs的正構(gòu)位點(diǎn)；另一個配體分子為變構(gòu)調(diào)節(jié)劑BQCA（簡稱B），識別M1Rs的變構(gòu)位點(diǎn)。通過這樣一個“正構(gòu)-變構(gòu)”雙價配體分子的協(xié)同調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對M1受體（而非M2~M5受體）亞型的識別及激動選擇性，降低副作用。
研究團(tuán)隊首先借鑒天然脫氧核苷酸的修飾策略構(gòu)建了X與B的藥效團(tuán)模塊，并證實修飾后保留了原藥的活性。進(jìn)一步，利用DNA固相合成技術(shù)，設(shè)計了藥效團(tuán)間含有1-7個脫氧核苷酸的雙價配體，篩選發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接子為兩個脫氧核苷酸時，雙價配體對于M1受體的選擇性最強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，對兩個脫氧核苷酸的堿基排列進(jìn)行編程，得到16種含有不同結(jié)構(gòu)組成連接子的雙價配體庫，篩選發(fā)現(xiàn)單脫氧核苷酸水平排列的差異化使雙價配體對M1受體激動的效價強(qiáng)度呈現(xiàn)出最低10-3的細(xì)微改變，且當(dāng)連接子的堿基排列為“AA”時，雙價配體選擇性激動M1受體的能力最強(qiáng)，比傳統(tǒng)方法提高近30倍。
最后，研究團(tuán)隊探討了此最優(yōu)雙價配體與M1受體作用的分子機(jī)制。通過分子對接預(yù)測并實驗證實了此雙價配體與M1受體作用的氨基酸位點(diǎn)。據(jù)此通過分子動力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)BAAX雙價配體可將M1受體構(gòu)象穩(wěn)定在其激活構(gòu)象最接近的狀態(tài)，從而展示了強(qiáng)效激活M1受體的能力。
上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院肖澤宇教授與張健教授為該論文的通訊作者。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院趙娜博士、吳文偉博士、王穎碩士為該論文的第一作者。該工作受到上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究院譚蔚泓院士和教育部共建上海市生物醫(yī)藥臨床研究與轉(zhuǎn)化協(xié)同創(chuàng)新中心陳紅專教授等的指導(dǎo)和大力支持。
專家點(diǎn)評：
樊春海（中國科學(xué)院院士, DNA科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜遥?/span>
DNA作為萬物生命起源的主要遺傳分子，無論是從生物學(xué)性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、合成方式等，均為人類文明進(jìn)步發(fā)展帶來了許多啟迪。例如，科學(xué)家受到天然DNA分子堿基互補(bǔ)配對原則的啟發(fā)，開發(fā)了DNA分子邏輯門計算機(jī)，實現(xiàn)了在生物體內(nèi)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算[3]；利用DNA內(nèi)部相鄰核苷酸間距為3.3 Å的特點(diǎn)，實現(xiàn)對于發(fā)色團(tuán)，熒光基團(tuán)以及蛋白質(zhì)等距離的精確控制 [4]；受到天然DNA的連接化學(xué)啟示而開發(fā)出的DNA固相合成技術(shù)，實現(xiàn)了對于DNA這種大分子聚合物聚合度的精確控制[5]。近年來，利用DNA的精確性和可編程性特點(diǎn)，人們開始拓展DNA工程在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，如設(shè)計DNA納米機(jī)器人用于可編程的藥物輸送[6]；制造基于DNA的分子疫苗，通過控制抗原間距和尺寸以達(dá)到最大的B細(xì)胞反應(yīng)[7]；及利用DNA折紙對距離的精確控制實現(xiàn)脂質(zhì)轉(zhuǎn)移[8]。然而，到目前為止，尚未揭示DNA是否可以作為雙價配體分子之間的連接子來精細(xì)調(diào)節(jié)配體-受體的識別構(gòu)象。
肖澤宇教授和張健教授團(tuán)隊等近期合作發(fā)表的Chem率先闡明了DNA為藥物或探針分子設(shè)計帶來的新啟示。在該項工作中，研究團(tuán)隊另辟蹊徑的關(guān)注到了DNA作為雙價配體分子中連接子的潛力，并用于開發(fā)“正構(gòu)-變構(gòu)“共同作用的雙價配體分子庫中。雙價配體包含兩個藥效團(tuán)，并需要通過連接子偶聯(lián)構(gòu)成一個分子。不同長度及化學(xué)組成的連接子會對整個雙價配體分子的性質(zhì)產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)方法利用聚合物做連接子難以實現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)，且主要依賴分步液相合成方法實現(xiàn)雙價配體的構(gòu)筑，然而不同長短和結(jié)構(gòu)組成的連接子偶聯(lián)涉及較為繁瑣的過程。該項工作開發(fā)了雙價配體的“DNA模塊化”構(gòu)筑策略，利用DNA的結(jié)構(gòu)單元脫氧核苷酸作為連接子，巧妙地解決了這一問題。通過將正構(gòu)和變構(gòu)藥效團(tuán)分別修飾成為用于固相合成的原料模塊，即可借助DNA自動合成技術(shù)，構(gòu)建一系列具有精確差異的藥效團(tuán)空間距離和空間取向的雙價配體分子；此外，DNA模塊化策略極大簡化了雙價配體分子合成的步驟，便于高效構(gòu)筑雙價配體候選分子庫。
更獨(dú)特的是，該策略實現(xiàn)了雙價配體對受體識別在單脫氧核苷酸水平的調(diào)控。增減脫氧核苷酸數(shù)目，即可在埃到納米尺度調(diào)控兩個藥效團(tuán)之間的空間距離；更換脫氧核苷酸的堿基類型即可精細(xì)調(diào)節(jié)藥效團(tuán)的空間取向，從而真正實現(xiàn)了對藥效團(tuán)間距及空間取向的精細(xì)調(diào)控。
此研究充分體現(xiàn)了化學(xué)、生物、藥學(xué)、工程的學(xué)科交叉，是DNA在藥物或探針分子設(shè)計領(lǐng)域、尤其是雙識別位點(diǎn)分子設(shè)計領(lǐng)域的開拓性工作，揭示了DNA作為藥效團(tuán)之間連接子，精細(xì)調(diào)控藥物與靶點(diǎn)（或配體與受體）識別構(gòu)象的全新可能及獨(dú)特優(yōu)勢，為研發(fā)新型雙價配體探針或雙價藥物分子提供了全新視角及構(gòu)筑策略。該方法與傳統(tǒng)方法相比，無論是在結(jié)構(gòu)功能調(diào)控的精準(zhǔn)性，還是在雙價分子合成的簡便性都有巨大的提升，充分展示出DNA結(jié)構(gòu)精確可控的特點(diǎn)及作為連接子的強(qiáng)大優(yōu)勢。總而言之，該研究無論在藥物或探針分子設(shè)計領(lǐng)域，還是在DNA納米技術(shù)的生物醫(yī)藥應(yīng)用領(lǐng)域，都是極具啟發(fā)的開創(chuàng)性工作，有望為雙價配體探針或雙價藥物分子的研發(fā)提供通用型設(shè)計平臺，并拓展了DNA作為功能元件在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] Faouzi A, Wang H, Zaidi S A, et al. Structure-based design of bitopic ligands for the µ-opioid receptor[J]. Nature, 2022: 1-3.
[2] Békés M, Langley D R, Crews C M. PROTAC targeted protein degraders: the past is prologue[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2022, 21(3): 181-200.
[3] Banal J L, Shepherd T R, Berleant J, et al. Random access DNA memory using Boolean search in an archival file storage system[J]. Nature materials, 2021, 20(9): 1272-1280.
[4] Dubel N, Liese S, Scherz F, et al. Exploring the limits of bivalency by DNA‐based spatial screening[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58(3): 907-911.
[5] Yao G, Li J, Li Q, et al. Programming nanoparticle valence bonds with single-stranded DNA encoders[J]. Nature materials, 2020, 19(7): 781-788.
[6] Seeman, N.C., and Sleiman, H.F. DNA nanotechnology. Nat. Rev. Mater. 2017, 3, 17068.
[7] Veneziano, R., Moyer, T.J., Stone, M.B., Wamhoff, E.C., Read, B.J., Mukherjee, S., Shepherd, T.R., Das, J., Schief, W.R., Irvine, D.J., et al. Role of nanoscale antigen organization on B-cell activation probed using DNA origami. Nat. Nanotechnol. 2020, 15, 716-723.
[8] Bian, X., Zhang, Z., Xiong, Q., De Camilli, P., and Lin, C. A programmable DNA-origami platform for studying lipid transfer between bilayers. Nat. Chem. Biol. 2019, 15, 830-837.
原文鏈接：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(22)00645-3
