當(dāng)前,，藥物設(shè)計(jì)及研發(fā)的一個(gè)熱門方向是構(gòu)筑雙價(jià)配體分子。該類分子是將兩個(gè)藥效明確的配體分子通過(guò)連接子偶聯(lián)形成,；其中,，每個(gè)配體分子分別識(shí)別兩個(gè)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(guò)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(jià)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(shì),，雙價(jià)配體分子越來(lái)越受到國(guó)際各大研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，對(duì)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(jià)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(jià)配體分子的關(guān)鍵是連接子的篩選及優(yōu)化,，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)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(lái)構(gòu)筑并篩選雙價(jià)配體分子,，面臨以下問(wèn)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(shí)現(xiàn)配體分子與受體結(jié)合時(shí)空間取向的精細(xì)調(diào)節(jié),；此外，構(gòu)筑篩選過(guò)程中需要將不同長(zhǎng)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(jià)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(wèn)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(lái)構(gòu)筑雙價(jià)配體分子,，實(shí)現(xiàn)在單脫氧核苷酸水平對(duì)受體識(shí)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(gè)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(dòng)化高效構(gòu)筑雙價(jià)配體分子的篩選庫(kù),。通過(guò)編程脫氧核苷酸的數(shù)目來(lái)精細(xì)調(diào)節(jié)連接子的長(zhǎng)度,，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)藥效團(tuán)之間空間距離在0.33納米尺度的調(diào)控；通過(guò)編程脫氧核苷酸的堿基排列來(lái)調(diào)節(jié)連接子的結(jié)構(gòu)多樣化,，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥效團(tuán)空間取向的精細(xì)調(diào)控,，從而高效篩選獲得對(duì)受體識(shí)別親和力最高、激動(dòng)效能最強(qiáng)的雙價(jià)配體分子,。該策略為雙價(jià)配體分子的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了全新的思路,，在藥物設(shè)計(jì)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(shí)此設(shè)計(jì)策略的可行性,，團(tuán)隊(duì)結(jié)合各自的研究?jī)?yōu)勢(shì),，針對(duì)同一蛋白受體的正構(gòu)和變構(gòu)位點(diǎn)，構(gòu)筑了一個(gè)“正構(gòu)-變構(gòu)”雙價(jià)配體分子,，即一個(gè)配體分子與蛋白受體的正構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合,，另一個(gè)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(jià)配體分子中,，一個(gè)配體分子為正構(gòu)激動(dòng)劑占諾美林（簡(jiǎn)稱X），識(shí)別M1Rs的正構(gòu)位點(diǎn),；另一個(gè)配體分子為變構(gòu)調(diào)節(jié)劑BQCA（簡(jiǎn)稱B）,，識(shí)別M1Rs的變構(gòu)位點(diǎn)。通過(guò)這樣一個(gè)“正構(gòu)-變構(gòu)”雙價(jià)配體分子的協(xié)同調(diào)節(jié),，實(shí)現(xiàn)對(duì)M1受體（而非M2~M5受體）亞型的識(shí)別及激動(dòng)選擇性,，降低副作用。
研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(jì)了藥效團(tuán)間含有1-7個(gè)脫氧核苷酸的雙價(jià)配體,，篩選發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接子為兩個(gè)脫氧核苷酸時(shí),，雙價(jià)配體對(duì)于M1受體的選擇性最強(qiáng),。在此基礎(chǔ)上,，對(duì)兩個(gè)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(jià)配體庫(kù),，篩選發(fā)現(xiàn)單脫氧核苷酸水平排列的差異化使雙價(jià)配體對(duì)M1受體激動(dòng)的效價(jià)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(shí)，雙價(jià)配體選擇性激動(dòng)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(duì)探討了此最優(yōu)雙價(jià)配體與M1受體作用的分子機(jī)制,。通過(guò)分子對(duì)接預(yù)測(cè)并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了此雙價(jià)配體與M1受體作用的氨基酸位點(diǎn),。據(jù)此通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)BAAX雙價(jià)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(píng)：
樊春海（中國(guó)科學(xué)院院士, DNA科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜遥?/strong>
DNA作為萬(wàn)物生命起源的主要遺傳分子,，無(wú)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(lái)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(duì)原則的啟發(fā),，開發(fā)了DNA分子邏輯門計(jì)算機(jī)，實(shí)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3.3Å的特點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)于DNA這種大分子聚合物聚合度的精確控制[5]。近年來(lái),，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(jì)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(guò)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(duì)距離的精確控制實(shí)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(jià)配體分子之間的連接子來(lái)精細(xì)調(diào)節(jié)配體-受體的識(shí)別構(gòu)象。
肖澤宇教授和張健教授團(tuán)隊(duì)等近期合作發(fā)表的Chem率先闡明了DNA為藥物或探針?lè)肿釉O(shè)計(jì)帶來(lái)的新啟示,。在該項(xiàng)工作中,，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑的關(guān)注到了DNA作為雙價(jià)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(jià)配體分子庫(kù)中,。雙價(jià)配體包含兩個(gè)藥效團(tuán),，并需要通過(guò)連接子偶聯(lián)構(gòu)成一個(gè)分子。不同長(zhǎng)度及化學(xué)組成的連接子會(huì)對(duì)整個(gè)雙價(jià)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(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié),，且主要依賴分步液相合成方法實(shí)現(xiàn)雙價(jià)配體的構(gòu)筑，然而不同長(zhǎng)短和結(jié)構(gòu)組成的連接子偶聯(lián)涉及較為繁瑣的過(guò)程,。該項(xiàng)工作開發(fā)了雙價(jià)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(wèn)題,。通過(guò)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(dòng)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(jià)配體分子,；此外,，DNA模塊化策略極大簡(jiǎn)化了雙價(jià)配體分子合成的步驟，便于高效構(gòu)筑雙價(jià)配體候選分子庫(kù),。
更獨(dú)特的是,，該策略實(shí)現(xiàn)了雙價(jià)配體對(duì)受體識(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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?lè)肿釉O(shè)計(jì)領(lǐng)域、尤其是雙識(shí)別位點(diǎn)分子設(shè)計(jì)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(shí)別構(gòu)象的全新可能及獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為研發(fā)新型雙價(jià)配體探針或雙價(jià)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(wú)論是在結(jié)構(gòu)功能調(diào)控的精準(zhǔn)性,，還是在雙價(jià)分子合成的簡(jiǎn)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(shì),?？偠灾撗芯繜o(wú)論在藥物或探針?lè)肿釉O(shè)計(jì)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(jià)配體探針或雙價(jià)藥物分子的研發(fā)提供通用型設(shè)計(jì)平臺(tái),，并拓展了DNA作為功能元件在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。
