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新虫 (初入文坛)

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[交流] DNA编码化合物库概念解析

DNA编码化合物库（DNA Encoded compound Library,简称DEL）合成与筛选的概念是美国Scripps 研究院的Sydney Brenner（2002年诺贝尔生理学及医学奖获得者）和 Richard Lerner（时任 Scripps 研究所所长）于1992年提出并申请了发明专利。具体地，组合化学的优势是可以快速地产生巨大数量的化合物汇合体，但在筛选过程中无法得知起作用的化合物信息。如果将一个具体的化合物与一段独特序列的DNA在分子水平连接（即对小分子化合物进行DNA编码），在筛选完成后，通过高通量DNA测序仪对筛选出小分子独特的DNA序列进行识别，从而解决由组合化学产生的巨型化合物库无法用于筛选的问题。
DEL技术的另一优势是基于DNA序列的聚合酶链式反应(PCR)扩增性。也就是说，即使是筛选过程中产生的极其微量的DNA编码信号，在经PCR扩增后也能被DNA测序仪识别，因此，筛选所需的库化合物和蛋白的使用量便可成千上万倍的减少。这一技术在筛选流程上也有本质的区别：上亿个化合物可以一起和靶标进行作用，而不是像传统高通量筛选的单个逐一测试，因此在筛选时间上也具有不可比拟的优势。

以下分别从组合化学是如何快速地产生巨型和怎样实现化合物库编码对该技术进行说明：
1. 组合化学法快速产生巨型化合物库
组合化学合成法的核心是“Split & Pool”（即均分与合并）方法在化学合成中的使用。具体地，将一个反应物溶液等分成m份，然后同时分别与m个化合物反应，从而得到m个新化合物；再将这m个反应合并，等分成n份，然后同时分别与n个化合物反应；再将这n个反应合并，等分成i份，然后同时分别与i个化合物反应；以此类推。这样，通过m+n+i个反应就能产生m×n×i个化合物的混合体。
当每一个化学反应单元增加时，化合物的数量便急剧增加，从而实现巨型化合物库。比如，当每一个结构单元为1000时，一个三步反应的化合物库可以通过1000+1000+1000=3000个化学反应合成1000×1000×1000=109，即10亿个化合物的库。组合化学方法在快速产生化合物方面的优势不言而喻。

2. 巨型化合物库的DNA编码、筛选与先导化合物产生
近年来，针对与组合化学在筛选中难以实现化合物识别的尝试有很多不同的策略或方法， DNA编码化合物库技术是近年来较新和发展较快的分子水平化合物标记技术。其实施过程是在传统组合化学的基础上，在每步化学反应完成后，紧接着连接一个对应的DNA序列，然后再汇合，重复正常的循环。各步反应完成后，整个化合物库便完成了编码，仅仅在原有组合化学反应数量上增加一倍。拿以上的例子来说，将一个反应物溶液等分成m份，然后同时分别与m个化合物反应，再分别与m个独特的DNA序列反应，从而在完成m个新化合物的同时也对加上的m个结构单元进行了标记；再将这m个反应合并，等分成n份，然后同时分别与n个化合物反应，再分别与n个独特的DNA序列反应；再将这n个反应合并，等分成i份，然后同时分别与i个化合物反应，再与i个独特的DNA序列反应；以此类推。这样，通过2×（m+n+i）个反应就能产生m×n×i个具有DNA编码的化合物库。相应地，6000个反应（小分子化学反应和DNA连接反应）便可完成109，即10亿个编码化合物的库。
DNA 编码化合物的发展与工业应用趋势

这一技术从概念到工业应用经历了漫长的过程。随着技术的日趋成熟，全球各大药企纷纷开展与具有该技术的生物技术公司的合作：
1992  第一个DNA编码化合物库合成与筛选的概念与技术发明专利披露
1997  Praecis,第一个以DNA编码化合物库合成与筛选的技术为核心技术的公司成立
2001  Nuevolution, 第二个以DNA编码化合物库合成与筛选的技术为核心技术的公司成立
2005  高通量测序仪 454（0.7G 通量）问世
2006  高通量测序仪 Solexa (1G 通量)问世
2007  GSK 整体收购 Praecis, 成为第一家国际大药企拥有DNA编码化合物库技术
2009  X-Chem,另一家以DNA编码化合物库合成与筛选的技术为核心技术的公司成立
2010  高通量测序仪 Illumina (600G 通量) 问世
2012  HitGen (成都先导药物开发有限公司)在中国成都成立
2013  X-Chem 与 AstraZeneca 签署多靶点合作协议
      HitGen 与英国癌症研究组织签署多靶点合作协议
2014  Nuevolution 与 Novartis签署技术转让协议

DNA编码化合物合成与筛选技术与传统筛选技术对比
巨型DNA编码化合物库合成与筛选技术的出现改变了先导化合物发现的格局。与传统高通量筛选的百万级化合物库相比，DNA编码化合物库在化合物数量和多样性的覆盖上都有很大增加。

DNA编码化合物库合成与筛选技术的应用
随着近年来在DNA测序技术上的不断突破，DNA编码化合物库合成与筛选技术在制药行业逐步得到广泛的应用。有意思的是，这一技术不仅可以从众多传统靶点（kinases、MMP-3、epoxide hydrolase、carbonic anhydrase IX、ADAMTS-5、GSK-3、SIRT等）中找到结构新颖的化合物，而且在挑战性的靶点方面（如蛋白与蛋白相互作用靶点：TNF、Bcl-xL、IL-2、LFA-1等）体现出传统化合物不可比拟的优势。例如，葛兰素史克公司2013年中旬公布的可溶性环氧化物水解酶抑制剂是利用该技术发现的先导化合物，并最终优化出新颖的细胞内、外均具有高活性和高选择性的化合物（GSK2256294A），该化合物在慢性阻塞性肺病的小鼠实验中能很好地降低非白细胞的数量，同时也可能对心血管类疾病有益。Bcl-xL是近年来蛋白与蛋白相互作用靶点的一个热门靶点，Philochem AG在2010年披露了通过该技术筛选到该靶点的多个化合物，更加增强了制药工业对该技术的信任，也对该技术在挑战性靶点上实现突破给予更多的希望。
(引自Prostaglandins Other Lipid Mediat. 2013, 104-105:25-31)       (引自ChemMedChem 2010, 5, 584 – 590)

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