北京大学雷晓光AS：化学蛋白质组学—通往靶标鉴定的康庄大道

本文转自ASNChina AdvancedScienceNews
化学遗传学是一类使用化学小分子探针研究生物系统的机制与功能的交叉学科，为阐明生物途径、识别药物靶点和开发新疗法提供了有效的策略。化学遗传学根据出发点和研究过程可分为两个分支：反向化学遗传学（图1a）和正向化学遗传学（图1b）。正向化学遗传学从活体内的化合物筛选开始，观察生命体对化合物产生的表型反应。 一旦确定了具有理想效果的阳性化合物，将采用多种分析方法来探索其分子靶点和作用机制。与基于表型的正向化学遗传学不同，反向化学遗传学专注于特定基因或蛋白质，筛选发现可结合或调节其功能的化合物，并利用该化合物研究与目标蛋白质相关的生命活动。

图1. 反向化学遗传学(a)与正向化学遗传学(b)研究流程示意图

在反向化学遗传学背景下的基于靶标的药物开发避免了复杂的靶标鉴定过程，然而由于生命系统的复杂性，对于特定分子功能的调节有时无法如预期一致地改善疾病相关表型，这种分子功能与表型间的差异和当前“可成药”靶标的有限性限制了基于靶标的药物开发的应用。另一方面，在正向化学遗传学背景下的基于表型的药物开发考虑了多个靶点和通路之间复杂的相互作用，使其更利于发现新的可成药靶点和具有独特治疗效果的化合物。

对于小分子作用靶标的鉴定在正向化学遗传学中起着至关重要的作用。通过阐明化合物作用靶点，研究者可能揭示疾病相关的新的分子作用机制和相应的生物途径，并可以相对系统地研究小分子潜在的脱靶效应。常用的靶标发现方法包括遗传学操作（如转录组测序、RNAi、CRISPR）、代谢组学分析、化学蛋白质组学等。基因水平的操作并不总能复刻化合物的表型，而且与阻断蛋白质某特定功能的化学探针不同，基因敲除会消除整个蛋白质及其所有功能，进而可能激活生物系统中的补偿机制或冗余途径。此外，很多通过遗传学手段识别到的靶标被认为是不可成药的，例如转录因子和蛋白质-蛋白质相互作用界面。另一方面，化学蛋白质组学关注细胞活动的执行者——蛋白质，提供了一种更直接且与药物开发更相关的方法来绘制靶标图谱。

2023年12月14日，北京大学雷晓光课题组在Advanced Science杂志在线发表了题为Chemoproteomics, A Broad Avenue to Target Deconvolution的综述文章，系统性地介绍了近年来用于靶标鉴定的化学蛋白质组学方法。

近年来用于靶标识别的化学蛋白质组学方法可分为两个大类：基于化学探针的化学蛋白质组学和新兴的无探针标记的化学蛋白质组学。基于探针的方法依赖于双功能化学探针，一方面通过生物活性基团捕获靶蛋白，另一方面通过标记基团实现靶蛋白的富集或可视化。根据靶标蛋白与探针结合的作用类型，这类方法又可以细分为为基于亲和力的探针垂钓（Affinity-based protein profiling, AfBP）（图2）和基于活性的探针垂钓（Activity-based protein profiling, ABPP）（图3）。可发生生物正交点击化学反应的基团常被用于探针的构建，通过后续的点击反应将标记基团引入，从而尽可能减小对探针活性和选择性的影响。

图2. 基于亲和力的探针垂钓方法（AfBP）

图3. 基于活性的探针垂钓方法（ABPP）

基于探针的化学蛋白质组学已经成功应用于小分子的靶点发现、副作用机制的阐明、酶底物的鉴定等领域，然而，这一策略对小分子探针的选择性和效力有较高要求，针对骨架复杂的小分子构建化学探针面临巨大挑战。近年来，新兴的不依赖于化学探针的方法蓬勃发展（图4），这些方法主要关注蛋白质组在配体结合前后的生理特性变化（如热稳定性、氧化速率、应对化学变性剂的稳定性和应对蛋白酶解的稳定性等），通过在蛋白质组学层面分析小分子加入后上述生理特性的变化推断出其蛋白靶标。该方法大大节约了探针改造的成本，降低了靶标鉴定的门槛，是缺乏有效探针时的有力补充。

北京大学化学与分子工程学院雷晓光组博士研究生高一卉为该论文的第一作者，博士研究生马明哲做出重要贡献，雷晓光教授及课题组特聘副研究员李文洋博士为共同通讯作者。

图4. 无探针标记的靶点鉴定方法