基因工程技術(shù)的現(xiàn)狀和前景發(fā)展摘要從20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的基因工程技術(shù)，經(jīng)過30多年來的進(jìn)步與發(fā)展，已成為生物技術(shù)的核心內(nèi)容。許多科學(xué)家預(yù)言，生物學(xué)將成為21世紀(jì)最重要的學(xué)科，基因工程及相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。基因工程研究和應(yīng)用范圍涉及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、能源、環(huán)保等許多領(lǐng)域。基因工程應(yīng)用于植物方面農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是目前轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一。農(nóng)作物生物技術(shù)的目的是提高作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)，增強作物抗逆性、抗病蟲害的能力。基因工程在這些領(lǐng)域已取得了令人矚目的成就。 由于植物病毒分子生物學(xué)的發(fā)展，植物抗病基因工程也也已全面展開。自從發(fā)現(xiàn)煙草花葉病毒(TMV)的外殼蛋白基因?qū)霟煵葜?，在轉(zhuǎn)基因植株上明顯延遲發(fā)病時間或減輕病害的癥狀，通過導(dǎo)入植物病毒外殼蛋白來提高植物抗病毒的能力，已用多種植物病毒進(jìn)行了試驗。在利用基因工程手段增強植物對細(xì)菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大進(jìn)展。植物對逆境的抗性一直是植物生物學(xué)家關(guān)心的問題。由于植物生理學(xué)家、遺傳學(xué)家和分子生物學(xué)家協(xié)同作戰(zhàn)，耐澇、耐鹽堿、耐旱和耐冷的轉(zhuǎn)基因作物新品種(系)也已獲得成功。植物的抗寒性對其生長發(fā)育尤為重要。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)極地的魚體內(nèi)有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增長，從而免受低溫的凍害并正常地生活在寒冷的極地中。將這種抗凍蛋白基因從魚基因組中分離出來，導(dǎo)入植物體可獲得轉(zhuǎn)基因植物，目前這種基因已被轉(zhuǎn)入番茄和黃瓜中。隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)注口味、口感、營養(yǎng)成分、欣賞價值等品質(zhì)性狀。實踐證明，利用基因工程可以有效地改善植物的品質(zhì)，而且越來越多的基因工程植物進(jìn)入了商品化生產(chǎn)領(lǐng)域，近幾年利用基因工程改良作物品質(zhì)也取得了不少進(jìn)展，如美國國際植物研究所的科學(xué)家們從大豆中獲取蛋白質(zhì)合成基因，成功地導(dǎo)入到馬鈴薯中，培育出高蛋白馬鈴薯品種，其蛋白質(zhì)含量接近大豆，*提高了營養(yǎng)價值，得到了農(nóng)場主及消費者的普遍歡迎。在花色、花香、花姿等性狀的改良上也作了大量的研究?；蚬こ虘?yīng)用于醫(yī)藥方面目前，以基因工程藥物為主導(dǎo)的基因工程應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，發(fā)展前景非常廣闊。基因工程藥物主要包括細(xì)胞因子、抗體、疫苗、激素和寡核甘酸藥物等。它們對預(yù)防人類的腫瘤、心血管疾病、遺傳病、糖尿病、包括艾滋病在內(nèi)的各種傳染病、類風(fēng)濕疾病等有重要作用。在很多領(lǐng)域特別是疑難病癥上，基因工程工程藥物起到了傳統(tǒng)化學(xué)藥物難以達(dá)到的作用。我們最為熟悉的干擾素(IFN)就是一類利用基因工程技術(shù)研制成的多功能細(xì)胞因子，在臨床上已用于治療白血病、乙肝、丙肝、多發(fā)性硬化癥和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等多種疾病。目前，應(yīng)用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中試，并進(jìn)入臨床驗證階段；專門用于治療腫瘤的“腫瘤基因?qū)棥币矊⒃诓痪猛瓿裳兄?，它可有目的地尋找并殺死腫瘤，將使癌癥的治愈成為可能。由中國、美國、德國三國科學(xué)家及中外六家研究機(jī)構(gòu)參與研制的專門用于治療乙肝、慢遷肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的體細(xì)胞基因生物注射劑，最終解決了從剪切、分離到吞食肝細(xì)胞內(nèi)肝炎病毒，修復(fù)、促進(jìn)肝細(xì)胞再生的全過程。經(jīng)4年臨床試驗已在全國面向肝炎患者。此項基因?qū)W研究成果在國際治肝領(lǐng)域中，是繼干擾素等藥物之后的一項具有革命性轉(zhuǎn)變的重大醫(yī)學(xué)成果?；蚬こ虘?yīng)用于環(huán)保方面工業(yè)發(fā)展以及其它人為因素造成的環(huán)境污染已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自然界微生物的凈化能力，已成為人們十分關(guān)注的問題?；蚬こ碳夹g(shù)可提高微生物凈化環(huán)境的能力。美國利用DNA重組技術(shù)把降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴、脂肪烴的4種菌體基因鏈接，轉(zhuǎn)移到某一菌體中構(gòu)建出可同時降解4種有機(jī)物的“超級細(xì)菌”，用之清除石油污染，在數(shù)小時內(nèi)可將水上浮油中的2/3烴類降解完，而天然菌株需1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢桿菌、且表達(dá)成功。它能釘死蚊蟲與害蟲，而對人畜無害，不污染環(huán)境。現(xiàn)已開發(fā)出的基因工程菌有凈化農(nóng)藥的DDT的細(xì)菌、降解水中的染料、環(huán)境中有機(jī)氯苯類和氯酚類、多氯聯(lián)苯的工程菌、降解土壤中的TNT炸藥的工程菌及用于吸附無機(jī)有毒化合物(鉛、汞、鎘等)的基因工程菌及植物等。90年代后期問世的DNA改組技術(shù)可以創(chuàng)新基因，并賦予表達(dá)產(chǎn)物以新的功能，創(chuàng)造出全新的微生物，如可將降解某一污染物的不同細(xì)菌的基因通過PCR技術(shù)全部克隆出來，再利用基因重組技術(shù)在體外加工重組，最后導(dǎo)入合適的載體，就有可能產(chǎn)生一種或幾種具有非凡降解能力的超級菌株，從而*地提高降解效率。 四、前景展望 由于基因工程運用DNA分子重組技術(shù)，能夠按照人們預(yù)先的設(shè)計創(chuàng)造出許多新的遺傳結(jié)合體，具有新奇遺傳性狀的新型產(chǎn)物，增強了人們改造動植物的主觀能動性、預(yù)見性。而且在人類疾病的診斷、治療等方面具有革命性的推動作用，對人口素質(zhì)、環(huán)境保護(hù)等作出具大貢獻(xiàn)。所以，各國政府及一些大公司都十分重視基因工程技術(shù)的研究與開發(fā)應(yīng)用，搶奪這一高科技制高點。其應(yīng)用前景十分廣闊。我國基因工程技術(shù)尚落后于發(fā)達(dá)國家，更應(yīng)當(dāng)加速發(fā)展，切不可坐失良機(jī)。但是，任何科學(xué)技術(shù)都是一把“雙刃劍”，在給人類帶來利益的同時，也會給人類帶來一定的災(zāi)難。比如基因藥物，它不僅能根治遺傳性疾病、惡性腫瘤、心腦血管疾病等，甚至人的智力、體魄、性格、外表等亦可隨意加以改造；還有，克隆技術(shù)如果不加限制，任其自由發(fā)展，最終有可能導(dǎo)致人類的毀滅。還有，盡管目前的轉(zhuǎn)基因動植物還未發(fā)現(xiàn)對人類有什么危害，但不等于說轉(zhuǎn)基因動植物就是十分安全的，畢竟這些東西還是新生事物，需要實踐慢慢地檢驗。轉(zhuǎn)基因生物和常規(guī)繁殖生長的品種一樣，是在原有品種的基礎(chǔ)上對其部分性狀進(jìn)行修飾或增加新性狀，或消除原來的不利性狀，但常規(guī)育種是通過自然選擇，而且是近緣雜交，適者生存下來，不適者被淘汰掉。而轉(zhuǎn)基因生物遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了近緣的范圍，人們對可能出現(xiàn)的新組合、新性狀會不會影響人類健康和環(huán)境，還缺乏知識和經(jīng)驗，按目前的科學(xué)水平還不能完全精確地預(yù)測。所以，我們要在抓住機(jī)遇，大力發(fā)展基因工程技術(shù)的同時，需要嚴(yán)格管理，充分重視轉(zhuǎn)基因生物的安全性。近兩年來我國化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的突出進(jìn)展時間：2015-04-17 來源：學(xué)術(shù)堂 所屬分類：應(yīng)用化學(xué)論文近年來，化學(xué)生物學(xué)已經(jīng)成為具有舉足輕重作用的一門新興交叉學(xué)科，是推動未來生命科學(xué)和生物醫(yī)藥發(fā)展的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。通過充分發(fā)揮化學(xué)和生物學(xué)、醫(yī)學(xué)交叉的優(yōu)勢，化學(xué)生物學(xué)的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景，能夠深入揭示生物學(xué)新規(guī)律，促進(jìn)新藥、新靶標(biāo)和新的藥物作用機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，造福于人類的健康事業(yè)，推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，化學(xué)生物學(xué)研究已經(jīng)引起各國政府和全球重要科研機(jī)構(gòu)的高度重視，成為發(fā)達(dá)國家競相資助和優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一?；瘜W(xué)生物學(xué)研究受到各國政府、科研機(jī)構(gòu)和大制藥公司的高度重視。美國國立健康研究院 ( NIH) 提出的生物醫(yī)學(xué)路線圖計劃 ( NIH oadmap) ，將化學(xué)生物學(xué)設(shè)定為 5 個研究方向之一。它們還設(shè)立了巨額預(yù)算作為化學(xué)生物學(xué)的培訓(xùn)經(jīng)費以及建立了若干著名的小分子化合物篩選平臺。例如，博大研究院( Broad Institute) 就是一個由哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院共建的合作單位，致力于開發(fā)在生命科學(xué)和醫(yī)藥學(xué)中能探究基因組學(xué)的新工具。化學(xué)遺傳學(xué) ( chemical genetics) 以 及 化 學(xué) 基 因 組 學(xué)( chemical genomics) 在該過程中發(fā)揮著重要的作用。耶魯大學(xué)基因組和蛋白質(zhì)組研究中心 ( YaleUniversity Center for Genomics and Proteomics) 專門成立了化學(xué)生物學(xué)研究小組，從事化學(xué)生物學(xué)新技術(shù)的開發(fā)，并應(yīng)用于功能基因組等方面的研究中。美、日和大部分歐洲發(fā)達(dá)國家的一流大學(xué)均建立了化學(xué)生物學(xué)人才培養(yǎng)計劃。各出版機(jī)構(gòu)都相繼出版了高水平的化學(xué)生物學(xué)專業(yè)學(xué)術(shù)雜志，此外許多生物和化學(xué)國際會議也設(shè)立了化學(xué)生物學(xué)分會。這些努力都極大地推動了國際上化學(xué)生物學(xué)研究水平的快速進(jìn)步。在化學(xué)生物學(xué)的發(fā)展過程中，相繼出現(xiàn)了如組合化學(xué)、高通量篩選技術(shù)、分子進(jìn)化、基因組( 芯片) 技術(shù)、單分子和單細(xì)胞技術(shù)等一系列新技術(shù)和新方法，為化學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域的研究注入了新的內(nèi)涵和驅(qū)動力。近年來，化學(xué)生物學(xué)家以小分子探針為主要工具，對細(xì)胞生命現(xiàn)象，尤其是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的重要分子事件和機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。通過充分發(fā)揮小分子化學(xué)探針研究信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的優(yōu)勢，探索和闡述信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的分子事件與規(guī)律以及在病理狀態(tài)下的變化規(guī)律，為疾病的診斷和治療研究探索新的思路。與此同時，化學(xué)生物學(xué)在與包括生物化學(xué)、分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域的交叉合作越發(fā)深入，研究優(yōu)勢越發(fā)明顯，這也推動了化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)科相關(guān)前沿的探索研究，現(xiàn)舉例介紹目前的一些具體的交叉研究趨勢: 第一，生物有機(jī)化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)的交叉融合，利用有機(jī)化學(xué)手段，通過設(shè)計合成一系列多樣化的分子探針，研究細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的重要分子機(jī)理; 第二，藥物化學(xué)與醫(yī)學(xué)的交叉融合，為了實現(xiàn)“從功能基因到藥物”的藥物研發(fā)模式，采用信號傳導(dǎo)過程研究與靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)相結(jié)合，注重藥物靶標(biāo)功能確證與化合物篩選相融合的研究策略; 第三，化學(xué)生物技術(shù)與生命科學(xué)問題的交叉融合，以化學(xué)生物學(xué)技術(shù)為手段，著重發(fā)展針對蛋白質(zhì)、核酸和糖等生物大分子的特異標(biāo)記與操縱方法，以揭示它們所參與的生命活動的調(diào)控機(jī)制; 第四，分析化學(xué)與生物學(xué)的交叉融合，以化學(xué)分析為手段，發(fā)展在分子水平、細(xì)胞水平或活體動物水平上獲取生物學(xué)信息的新方法和新技術(shù)?；瘜W(xué)在讓生命可視、可控、可創(chuàng)造的進(jìn)程中日益彰顯其核心作用。以下對近兩年來我國化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域取得的突出進(jìn)展加以具體的歸納和介紹。1 基于小分子化合物及探針的研究1. 1 以小分子化合物為探針，深入研究細(xì)胞生理、病理活動的調(diào)控機(jī)制 自吞噬( autophagy) 是細(xì)胞內(nèi)的一個重要降解機(jī)制。中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所馬大為和美國哈佛大學(xué)袁鈞英合作，發(fā)現(xiàn) spautin-1 可以特異性地抑制泛素化酶 USP10 和 USP13，進(jìn)一步促進(jìn)了 VPS34/P13 復(fù)合物的降解，導(dǎo)致特異性地抑制自吞噬。他們發(fā)現(xiàn) USP10 和 USP13 作用于VPS34 / P13 復(fù)合物的亞單位 Beclin-1，Beclin-1 是一腫瘤抑制劑，調(diào)控 P53 的水平。他們的發(fā)現(xiàn)提供了一個蛋白去泛素化調(diào)控 P53 和 Beclin-1 的水平、抑制腫瘤的新機(jī)制1。近年來，細(xì)胞壞死逐漸被認(rèn)為是哺乳動物的發(fā)育和生理過程的重要組成部分，并參與了人類的多種病理過程。雷曉光和王曉東等通過篩選得到 1 個抑制細(xì)胞壞死的小分子化合物壞死磺酰胺( necrosulfonamide) 。此前王曉東實驗室的研究證實了 IP3 的激酶活性在腫瘤壞死因子 TNF- 誘導(dǎo)的細(xì)胞壞死過程中是不可或缺的，并發(fā)現(xiàn) MLKL 扮演著 IP3 激酶其中1 個底物的角色。這次發(fā)現(xiàn)的小分子正是通過特異識別 MLKL 而阻止壞死信號的傳導(dǎo)2，對于設(shè)計并開發(fā)針對細(xì)胞壞死相關(guān)疾病的藥物起到了極大的提示和推動作用。裴端卿等繼發(fā)現(xiàn)維生素 C能夠顯著提高小鼠與人的體細(xì)胞重編程效率( 效率可以達(dá)到約 10%) 引起廣泛關(guān)注之后，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)體細(xì)胞的組蛋白去甲基化酶 Jhdm1a/1b是維生素 C 介導(dǎo)的細(xì)胞重編程的關(guān)鍵作用因子。他們發(fā)現(xiàn)，維生素 C 能夠誘導(dǎo)小鼠成纖維細(xì)胞H3K36me2 /3 去甲基化，并促進(jìn)體細(xì)胞重編程。該工作也證明了制約體細(xì)胞“變身”的分子障礙是組蛋白 H3K36me2/3，而維生素 C 能夠突破這一障礙從而促進(jìn)重編程的發(fā)生3，該工作被選為了Cell Stem Cell當(dāng)期的封面文章。鄧宏魁等通過系列篩選工作，首次發(fā)現(xiàn) 4 個小分子化合物可以完全替代 Yamanaka 四因子，將小鼠體細(xì)胞誘導(dǎo)成為多潛能性干細(xì)胞，這項工作將直接導(dǎo)致化學(xué)再生醫(yī)藥新領(lǐng)域的產(chǎn)生4。宋保亮等針對膽固醇負(fù)反饋調(diào)控途徑，篩選活性小分子化合物，研究其對代謝性疾病的功能作用，并揭示膽固醇代謝負(fù)反饋調(diào)控的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。首先他們針對SEBP 途徑構(gòu)建報告基因系統(tǒng)，對數(shù)千種化合物進(jìn)行篩選，獲得 1 種名為白樺酯醇的小分子化合物，它能夠特異性地阻斷 SEBP 的成熟，抑制其活性。在細(xì)胞水平，白樺酯醇能顯著抑制膽固醇、脂肪酸和甘油三酯等脂質(zhì)合成基因的表達(dá)，減少脂質(zhì)合成，降低細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)含量。因此，白樺酯醇具有良好的抗動脈粥樣硬化作用和型糖尿病的治療作用5。1. 2 若干細(xì)胞關(guān)鍵信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究 李林發(fā)現(xiàn)了 NC043 和中國科學(xué)院昆明植物研究所郝小江發(fā)現(xiàn)了天然產(chǎn)物 S3 類似物 HLY78兩個全新的調(diào)節(jié) Wnt 信號途徑的小分子。其中，NC043 影響細(xì)胞內(nèi) -catenin 和 TCF4 的相互作用而抑制 Wnt 信號途徑并抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的生長6; S3 抑制經(jīng)典 Wnt 信號途徑，并且它發(fā)揮作用的主要機(jī)制是在細(xì)胞核里，這為治療由于經(jīng)典Wnt 信號途徑異常激活而引起的癌癥提供了先導(dǎo)化合物。同時，他們還發(fā)現(xiàn) S3 對于不同的經(jīng)典Wnt 信號途徑異常激活的腫瘤細(xì)胞系的抑制效率也是不一樣的，這為后期探明不同腫瘤細(xì)胞系之間的差別和揭示 Wnt 信號途徑下游轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)理提供了契機(jī)。1. 3 重要靶標(biāo)、抑制劑和標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn) 陳國強等在前期發(fā)現(xiàn)從腺花香茶菜中提取的腺花素( Adenanthin) 能夠誘導(dǎo)白血病細(xì)胞分化的基礎(chǔ)上，成功地捕獲了它在細(xì)胞內(nèi)的靶蛋白過氧化還原酶( peroxiredoxin) I/II，并依此闡釋了白血病細(xì)胞分化的新機(jī)理7。通過對腺花素進(jìn)行分子改造，并在明確其活性基團(tuán)后，合成生物素標(biāo)記的腺花素分子，他們借助蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)平臺的支持，以生物素標(biāo)記的腺花素為“誘餌”，利用蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)，在白血病細(xì)胞中“垂釣”腺花素可能結(jié)合的蛋白質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腺花素能夠與過氧化還原酶 Prx I和 Prx II 共價結(jié)合，該工作對白血病的病理研究及治療都將起到極大的推動作用。吳喬、林天偉、黃培強等發(fā)現(xiàn)了名為 TMPA 的化合物，能夠通過與吳喬等前期發(fā)現(xiàn)的與糖代謝調(diào)控密切相關(guān)的新靶點Nur77 的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的結(jié)合，使原先結(jié)合 Nur77 的 LKB1 得到分子釋放。后者能夠從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運到胞漿，并激活直接參與糖代謝調(diào)控的重要蛋白激酶 AMPK，達(dá)到降低血糖目的。此外，他們還通過晶體結(jié)構(gòu)解析了 Nur77-TMPA的復(fù)合物晶體，從原子水平上進(jìn)一步解釋了TMPA 結(jié)合 Nur77 的構(gòu)象和精確位點，為今后設(shè)計和研發(fā)新型的糖尿病藥物提供了必不可少的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)8。該工作所發(fā)現(xiàn)的化合物 TMPA 或可成為一種新型糖尿病治療藥物的“雛形”，為未來新型糖尿病治療藥物的研發(fā)提供一個全新方向和路徑。楊財廣等9進(jìn)行了基于 mNA 中 N6 位甲基化修飾的腺嘌呤( N6-methyladenosine，m6A) 去甲基化酶 FTO 結(jié)構(gòu)開展小分子調(diào)控的研究，首次獲得了對核酸去甲基化酶 FTO 具有酶活和細(xì)胞活性的小分子抑制劑。張翱、鎮(zhèn)學(xué)初等10針對帕金森氏病治療過程中出現(xiàn)的異動癥進(jìn)行作用機(jī)制研究，闡明了 5-羥色胺 1A 受體和 FosB 基因與異動癥的關(guān)系，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了同時靶向多巴胺 D2 和5-羥色胺 1A 受體的新型抗帕金森活性化合物。1. 4 天然產(chǎn)物分子的生物及化學(xué)合成譚仁祥等通過研究發(fā)現(xiàn)了螳螂腸道真菌( Daldinia eschscholzii ) 產(chǎn) 生 的 結(jié) 構(gòu) 全 新 的Dalesconol 類免疫抑制物及其獨特的“異構(gòu)體冗余現(xiàn)象”。在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn) Dalesconol 類免疫抑制物是由不同的萘酚通過酚氧游離基耦合產(chǎn)生的，同時發(fā)現(xiàn)其“異構(gòu)體冗余現(xiàn)象”很可能源于真菌漆酶引致的關(guān)鍵中間體優(yōu)勢構(gòu)象11。該成果不僅為此類免疫抑制物來源問題的解決奠定了重要基礎(chǔ)，而且為酚類合成生物學(xué)研究提供了新的思路和概念。萘啶霉素( NDM) 、奎諾卡星( QNC)及 Ecteinascidin 743 ( ET-743) 均屬于四氫異喹啉生物堿家族化合物，它們都具有顯著的抗腫瘤活性，其中 ET-743 已發(fā)展為第 1 例海洋天然產(chǎn)物來源的抗腫瘤新藥。這 3 種化合物都具有一個獨特的二碳單元結(jié)構(gòu)，其生物合成來源問題一直沒有得到解決。唐功利等12在克隆了 NDM 和 QNC生物合成基因簇的基礎(chǔ)上，通過前體喂養(yǎng)標(biāo)記、體內(nèi)相關(guān)基因敲除-回補以及體外酶催化反應(yīng)等多種實驗手段相結(jié)合的方式，闡明了二碳單元的獨特生源合成機(jī)制: NapB/D 及 QncN/L 在催化功能上均屬于丙酮酸脫氫酶及轉(zhuǎn)酮醇酶的復(fù)合體，它們負(fù)責(zé)催化二碳單元由酮糖轉(zhuǎn)移至酰基承載蛋白( ACP) 上，而后經(jīng)過非核糖體蛋白合成( NPS)途經(jīng)進(jìn)入到最終的化合物中。這種將基礎(chǔ)代謝中的酮糖直接轉(zhuǎn)化為次級代謝所需要的二碳單元在非核糖體肽合成途徑中是首次報道。該研究結(jié)果也有助于揭示海洋藥物 ET-743 獨特的二碳單元生物合成來源，為非核糖體聚肽類天然產(chǎn)物的組合生物合成帶來新的前體單元。此外，他們還利用全基因組掃描技術(shù)定位了抗生素谷田霉素生物合成的基因簇，通過基因敲除結(jié)合生物信息學(xué)分析確定了基因簇邊界。谷田霉素可以抑制致病真菌，且對腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出極強的毒性( 比抗腫瘤藥物絲裂霉素的活性高約 1000 倍) ; 該家族化合物屬于 DNA 烷基化試劑，典型的結(jié)構(gòu)特征是吡咯吲哚環(huán)上的環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)。在對突變株的發(fā)酵檢測中成功分離、鑒定了中間體 YTM-T 的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合體外生化實驗揭示了一類同源于糞卟啉原 III-氧化酶( Coproporphyrinogen III oxidase) 的甲基化酶以自由基機(jī)理催化 YTM-T 發(fā)生 C-甲基化13，這是此類蛋白催化自由基甲基化反應(yīng)的首例報道，為下一步闡明 YTM 結(jié)構(gòu)中最重要的環(huán)丙烷部分生物合成途徑奠定了基礎(chǔ)。Pyrroindomycins( PT) 是能夠有效對抗各類耐藥病原體的一種天然產(chǎn)物，它含有 1 個環(huán)己烯環(huán)螺連接的 tetramate這一獨特的結(jié)構(gòu)。劉文等14通過對 PY 生物合成的研究揭示了 2 個新的蛋白質(zhì)，均能夠單獨在體外通過迪克曼環(huán)化反應(yīng)將 N-乙酰乙?；?l-丙氨酰硫酯轉(zhuǎn)化成 tetramate。這一工作揭示了一種通過酶的方式首先生成 CX( X O 或 N)鍵，然后再生成 CC 鍵來構(gòu)建 5 元雜環(huán)的生物合成途徑。1. 5 金屬催化劑在活細(xì)胞及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的應(yīng)用利用化學(xué)小分子在活體環(huán)境下實現(xiàn)生物大分子的高度特異調(diào)控是化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c問題之一。作為生物體內(nèi)含量最多的一類生物大分子，蛋白質(zhì)幾乎參與了所有的生命活動，因此“在體”研究與調(diào)控其活性及生物功能意義重大。與發(fā)展較為成熟的蛋白質(zhì)活性抑制劑及相應(yīng)的“功能缺失性”研究相比，小分子激活劑對于研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能更為有效。這主要是因為后者可以在活細(xì)胞及活體動物、組織內(nèi)實現(xiàn)“功能獲得性”研究，從而為目標(biāo)蛋白質(zhì)在天然環(huán)境下的功能及其在生命活動中扮演的角色提供更準(zhǔn)確和細(xì)致的信息。然而，通過小分子實現(xiàn)蛋白質(zhì)的原位激活是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，目前大多數(shù)成功的例子都來源于大規(guī)模小分子庫篩選而獲得的針對某一特殊蛋白質(zhì)靶標(biāo)的“別構(gòu)劑”，而沒有一種廣泛適用于不同類型蛋白質(zhì)的普適性小分子激活策略。陳鵬課題組通過將基于鈀催化劑的“脫保護(hù)反應(yīng)”與非天然氨基酸定點插入技術(shù)相結(jié)合，首次利用小分子鈀催化劑激活了活細(xì)胞內(nèi)的特定蛋白質(zhì)15。該方法通過將一種帶有化學(xué)保護(hù)基團(tuán)的賴氨酸( 炔丙基碳酸酯-賴氨酸，Proc-賴氨酸) 以非天然氨基酸的形式定點取代目標(biāo)蛋白質(zhì)上關(guān)鍵活性位點的天然賴氨酸，使蛋白質(zhì)的活性處于“關(guān)閉“狀態(tài)。利用能夠高效催化“脫保護(hù)反應(yīng)”的鈀化合物，他們在活細(xì)胞內(nèi)實現(xiàn)了蛋白質(zhì)側(cè)鏈的原位脫保護(hù)反應(yīng)( Proc-賴氨酸向天然賴氨酸的轉(zhuǎn)化) ，使該蛋白質(zhì)重新回到“開啟”狀態(tài)，實現(xiàn)“原位”激活。這一策略的優(yōu)勢在于將非天然氨基酸直接插入了目標(biāo)蛋白質(zhì)酶的催化活性位點，使其處于完全“關(guān)閉”的狀態(tài); 而在激活過程中只要產(chǎn)生少量的處于“開啟”狀態(tài)的蛋白質(zhì)就足以對其功能及相關(guān)生物學(xué)功能進(jìn)行研究。利用這一技術(shù)，他們深入研究了一種細(xì)菌三型分泌系統(tǒng)的毒素效應(yīng)蛋白 OspF( 磷酸絲氨酸裂解酶)對宿主細(xì)胞內(nèi)的胞外信號調(diào)節(jié)激酶( Erk) 參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的影響，并證明了該方法可作為普適性平臺，為活細(xì)胞及活體內(nèi)的生物大分子激活提供了新的策略和工具。2 基于蛋白質(zhì)和多肽的研究李艷梅課題組長期致力于化學(xué)合成糖肽疫苗和免疫學(xué)研究，取得了一系列成果?，F(xiàn)階段化學(xué)合成疫苗的研究主要存在兩大問題: 一是需要尋找有效的特異性抗原，以區(qū)分正常組織和病變組織，二是需要尋找疫苗體系以打破免疫耐受，促進(jìn)機(jī)體免疫反應(yīng)。針對第 1 個問題，他們以 MUC1糖肽為骨架，合成了具有不同糖基化修飾的腫瘤相關(guān)糖肽抗原。以牛血清白蛋白為載體，篩選表位，并研究構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn) T9 位蘇氨酸的糖基化修飾對糖肽的免疫原性具有至關(guān)重要的影響。針對第 2 個問題，他們對疫苗進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過T 細(xì)胞表位、免疫刺激劑和自組裝片段等策略提高免疫反應(yīng)效果，設(shè)計合成了兩組分疫苗、三組分疫苗以及自組裝疫苗等一系列高效的疫苗，能夠產(chǎn)生高強度的 IgG 抗體，同時可以通過疫苗分子調(diào)節(jié)體液免疫和細(xì)胞免疫。這些疫苗產(chǎn)生的抗體能夠結(jié)合并通過補體依賴細(xì)胞毒性作用殺死瘤細(xì)胞。該研究為進(jìn)一步的疫苗研究打下了堅實的基礎(chǔ)16，17。目前，治療癌癥的主要方法仍然是化療法。利用能夠特異性靶向癌細(xì)胞的藥物可以減少藥物的負(fù)效應(yīng)，提高癌癥患者的治愈率。不同類型的納米載體，如脂質(zhì)體類、多聚納米顆粒、嵌段共聚物膠團(tuán)和樹枝狀高分子，常用于抗癌藥物的靶向性釋放。為了更大地提高抗癌藥物的特異性釋放效率，多種方法被相繼開發(fā)，例如，將葉酸配體引入納米載體引導(dǎo)藥物靶向癌細(xì)胞的特定部位，將對生理特性的環(huán)境敏感分子( 酸度敏感分子、溫控分子以及特定酶響應(yīng)分子) 引入納米載體用于體內(nèi)特定環(huán)境的釋放。劉克良等18制備了外圍為疏水性含有葉酸修飾的聚乙二醇( PEG) 而核心為超順磁性 Fe3O4的納米藥物載體，并展示了該組裝體細(xì)胞內(nèi)酸性環(huán)境定點釋放 AD 藥物的功能。非共價作用力是維持蛋白三維結(jié)構(gòu)的重要因素，小型多肽因結(jié)構(gòu)小和非共價相互作用位點少而難以形成穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu)。他們19 21利用多肽間相互作用催化分子間硫酯的胺解，制備了新型的共價偶聯(lián)的 6HB 多肽分子，并在多種條件下展示均具有高的熱穩(wěn)定性。該策略為穩(wěn)定多肽的三維結(jié)構(gòu)提供了新的思路。化學(xué)方法能夠?qū)崿F(xiàn)原子水平精確控制蛋白質(zhì)的序列和結(jié)構(gòu)，是獲取特定修飾的生物體系難以表達(dá)的蛋白質(zhì)的一種重要手段。當(dāng)前使用最為廣泛的技術(shù)是以硫酯為合成子的自然化學(xué)連接反應(yīng)。然而，多肽硫酯因其高度的熱不穩(wěn)定性和反應(yīng)活性而不容易采用目前最為廣泛使用的 Fmoc固相合成技術(shù)合成。劉磊等22利用烯胺的水解反應(yīng)，基于所提出的溶液中分子內(nèi)從 N 到 S 不可逆?；w移制備硫酯的策略，以多肽酰胺為底物，實現(xiàn)了 Fmoc 固相合成硫酯?；邗ｋ履軌蛟谌跛嵝詶l件下被亞硝酸轉(zhuǎn)化為酰基疊氮的特征，劉磊等發(fā)展了以多肽酰肼為結(jié)構(gòu)單元的合成蛋白質(zhì)的多肽酰肼連接技術(shù)23，結(jié)合保護(hù)基 Tbeoc 實現(xiàn)了全收斂酰肼連接制備蛋白質(zhì)24，并結(jié)合非天然氨基 酸 嵌 入 技 術(shù) 發(fā) 展 出 蛋 白 質(zhì) 半 合 成 的 新策略25。抑制病變蛋白 A 聚集及解聚已成為治療阿爾茨海默癥( AD) 的重要手段，受到人們的廣泛關(guān)注。大多數(shù)報道的 A 抑制劑是有機(jī)小分子或肽。然而，這些抑制劑或不能穿透血腦屏障( BBB) ，或缺乏與 A 的識別能力，應(yīng)用受到限制。能夠靶向結(jié)合 A，進(jìn)而抑制 A 聚集的藥物成為本領(lǐng)域目前研究的重點。利用自主設(shè)計細(xì)胞熒光篩選體系，結(jié)合化學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、生物物理和現(xiàn)代波譜學(xué)等手段，曲曉剛等發(fā)現(xiàn)一些特殊結(jié)構(gòu)類型聚金屬氧酸鹽能夠調(diào)控 AD 病變蛋白 A 的聚集，抑制效果與聚金屬氧酸鹽的結(jié)構(gòu)、所帶電荷數(shù)及體積密切相關(guān)。研究成果作為封 面 文 章 發(fā) 表 在 德 國Angew Chem IntEd 24并被CEN News作為亮點給予報道。此外，他們最新研究發(fā)現(xiàn)，具有鋅指結(jié)構(gòu)的 2 個三螺旋金屬超分子化合物能夠有效地抑制 A 聚集，并已獲得專利授權(quán)。進(jìn)一步研究表明，這 2 個金屬超分子化合物能夠特定地結(jié)合在 / -不一致伸縮區(qū)域，抑制 A 的細(xì)胞毒性。體內(nèi)研究表明，這些化合物可改善轉(zhuǎn)基因小鼠模型的空間記憶障礙，并降低腦內(nèi)不溶性 A 的水平。同時，該化合物還能解聚已經(jīng)形成的 A 聚集體。這表明金屬超分子化合物不僅可以預(yù)防早期 AD 的發(fā)生，還具有緩解 AD 的作用，并已獲專利授權(quán)。這將為設(shè)計和篩選金屬超分子化合物作為 A 抑制劑提供新的途徑。工作作為封面文章發(fā)表在Chem Sci 27， 并 被 英 國 皇 家 化 學(xué) 會Chemistry World以“新超分子阿爾茨海默癥藥物( New supramolecular Alzheimers drugs) ”26為題給予亮點報道。劉揚中等29開展了金屬配合物抑制結(jié)核菌內(nèi)的蛋白剪接功能的研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)核菌內(nèi)一些酶通過 Intein 的蛋白剪接被活化，抑制蛋白剪接將抑制結(jié)核菌的生長。高等生物不具有 Intein，因而Intein 是抗結(jié)核菌藥物的理想靶點。通過體外蛋白剪接實驗和細(xì)胞實驗證實，順鉑在結(jié)核菌的作用靶點是 Intein 蛋白。王江云課題組30通過擴(kuò)展基因密碼子，實現(xiàn)了具有光點擊活性的非天然氨基酸環(huán)丙烯賴氨酸在哺乳動物中的基因編碼。光照條件下，特異位點整合了環(huán)丙烯賴氨酸的蛋白質(zhì)與小分子四唑化合物發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)，生成熒光活性基團(tuán)，從而實現(xiàn)了時空可控的對哺乳動物細(xì)胞內(nèi)蛋白特異位點的標(biāo)記。此外，該課題組和陸藝課題組利用非天然氨基酸的定點插入，首次實現(xiàn)了用 18kD 的肌紅蛋白模擬呼吸鏈中重要膜蛋白復(fù)合物細(xì)胞色素c 氧化酶。該工作首次提供了細(xì)胞色素 c 氧化酶中保守翻譯后修飾 Tyr-His 功能的直接證據(jù)，是蛋白質(zhì)設(shè)計領(lǐng)域的重要進(jìn)展，并有望在生物能學(xué)中獲得重要應(yīng)用31。電子傳遞( ET) 涉及生物體內(nèi)許多重要的生化過程，王江云課題組及龔為民課題組通過基因密碼子擴(kuò)展，實現(xiàn)在活細(xì)胞中編碼螯合金屬的非天然氨基酸 3-吡唑基酪氨酸，為研究生物大分子中的光致電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以及利用生物元件實現(xiàn)高效可控的光致電荷分離提供了有力的工具。這為蛋白動態(tài)構(gòu)象變化研究提供了新的研究手段，為利用合成生物學(xué)手段生產(chǎn)可再生能源提供了新的研究思路，為金屬蛋白設(shè)計提供了新的工具。該項研究成果以內(nèi)封面文章的形式發(fā)表于德國Angew Chem Int Ed 32。作為哺乳動物體內(nèi)酸性最強的器官，胃所含的強酸性胃液( pH 為 1 3) 是人和動物抵御絕大多數(shù)微生物病菌的一道天然屏障。然而，腸道病原菌能夠在強酸性的胃液下存活，并進(jìn)而造成腸道感染。陳鵬等33通過在蛋白中定點嵌入含有光交聯(lián)基團(tuán)的非天然氨基酸系統(tǒng)地捕獲了一種酸性分子伴侶蛋白在酸脅迫下的“客戶蛋白”，并依此闡釋了大腸桿菌抵御胃酸的機(jī)理，理解大腸桿菌的抗酸性機(jī)理將極大地加深我們對這類病原菌的認(rèn)識，為今后發(fā)展新型抗生素奠定基礎(chǔ)。結(jié)果發(fā)表后CEN News作了專題報道。其后，他們進(jìn)一步運用非天然氨基酸編碼技術(shù)成功地在腸致病性大腸桿菌、志賀氏菌及沙門氏菌中實現(xiàn)了光交聯(lián)及疊氮非天然氨基酸的定點嵌入，為病原菌侵入宿主細(xì)胞的機(jī)理研究打下基礎(chǔ)34。此外，他們結(jié)合在蛋白中定點嵌入末端為烯烴的非天然氨基酸及 Thiol-ene 反應(yīng)，實現(xiàn)了藥用蛋白質(zhì)定點的標(biāo)記及 PEG 化修飾，為藥用蛋白的化學(xué)改性提供了新途徑35。3 糖化學(xué)生物學(xué)的進(jìn)展寡糖化合物的合成是制約糖科學(xué)發(fā)展的瓶頸之一。葉新山等利用“糖基供體預(yù)活化”策略，將添加劑控制的立體選擇性糖基化方法應(yīng)用于葡萄糖和半乳糖硫苷供體的糖基化反應(yīng)中，實現(xiàn)了路易斯酸控制的高 -立體選擇性糖基化反應(yīng)36;并將該策略成功應(yīng)用于傷寒 Vi 抗原寡糖重復(fù)片段的合成37。俞飚等對一價金催化的以糖基鄰炔基苯甲酸酯為供體的糖基化方法的機(jī)理38進(jìn)行 了 深 入 研 究，并 進(jìn) 一 步 用 于 藥 用 分 子Digitoxin39和皂苷類化合物40的合成; 他們還首次實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的含脫氧糖單元的抗生素Landomycin A 的合成41。發(fā)展糖化學(xué)生物學(xué)研究的新方法至關(guān)重要。陳興課題組42報道了一種具有細(xì)胞靶向性的非天然糖代謝標(biāo)記新方法。他們將非天然糖包裹在靶向性脂質(zhì)體內(nèi)，并通過受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)吞，將非天然糖傳輸?shù)教囟ǖ募?xì)胞內(nèi)，進(jìn)入細(xì)胞的非天然糖通過糖代謝途徑修飾于細(xì)胞表面聚糖上，最后可通過生物正交反應(yīng)進(jìn)行成像和檢測。張延等43建立了一種從復(fù)雜生物樣品中分離富集糖基化蛋白的新方法，開發(fā)了一種具有選擇性富集疊氮標(biāo)記 O-糖基化多肽及蛋白的炔基修飾納米磁珠，通過炔基與疊氮基團(tuán)之間的點擊反應(yīng)富集帶有疊氮標(biāo)記的糖蛋白，通過 DTT 及 TCEP 等的還原作用將磁珠結(jié)構(gòu)上的二硫鍵切斷，從而將富集的糖蛋白從磁珠上解離，再通過 SDS-PAGE、LC-MS 等技術(shù)對這些糖基化蛋白進(jìn)行鑒定。王鵬課題組與美國西北大學(xué) Mrksich 教授合作44，發(fā)展了一種糖基轉(zhuǎn)移酶快速鑒定的新方法。該方法結(jié)合了高通量基因克隆技術(shù)、無細(xì)胞蛋白表達(dá)技術(shù)、自組裝單層糖芯片技術(shù)以及在線質(zhì)譜分析技術(shù)，將 7 種糖基供體與近 100 種細(xì)胞外表達(dá)的糖基轉(zhuǎn)移酶分別放到含有 23 種不同糖基受體的芯片上進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后沖洗糖芯片并使用全自動的在線質(zhì)譜檢測系統(tǒng)分析結(jié)果，超過 3 萬個的反應(yīng)可在幾天內(nèi)完成。糖類化合物在藥學(xué)上的用途一直吸引著研究者的興趣。葉新山等45對腫瘤相關(guān)天然糖抗原STn 進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，發(fā)現(xiàn)某些經(jīng)適當(dāng)修飾后的抗原具有更高的免疫原性，所產(chǎn)生的抗體能識別天然抗原，并且與表達(dá) STn 抗原的腫瘤細(xì)胞相作用，從而為抗腫瘤糖疫苗的研究提供了新的路徑。他們46還設(shè)計合成了幾種 N-烷基二脫氧氮雜糖化合物，這些氮雜糖化合物能夠抑制 Con A 誘導(dǎo)的小鼠脾 T 淋巴細(xì)胞的增殖; 進(jìn)一步研究表明，這種抑制效應(yīng)源于它們對細(xì)胞因子 IFN- 和 IL-4分泌的抑制; 然后進(jìn)行了動物水平的皮膚移植實驗，結(jié)果顯示這些氮雜糖類化合物能夠延長小鼠皮膚移植后皮片的存活時間。這些結(jié)果為新型免疫抑制劑的研制提供了希望。4 核酸化學(xué)生物學(xué)的進(jìn)展隨著化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展和融合，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)大量重大疾病，如惡性腫瘤、遺傳疾病等，都與核酸相關(guān)。核酸不僅是遺傳基因信息的載體，同時基因信息調(diào)控的正確與否與生命體的正常生理功能和健康與疾病有密切的聯(lián)系。而且，機(jī)體受各因素影響發(fā)生基因變異到形態(tài)學(xué)或生理功能發(fā)生病變，是一個多階段的改變累積過程。端粒 DNA 和端粒酶與人的壽命和癌癥等疾病密切相關(guān)，已成為癌癥治療的特殊靶標(biāo)。曲曉剛等47發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以通過穩(wěn)定人端粒 i-motif 結(jié)構(gòu)來抑制端粒酶的活性，此實驗結(jié)果第一次證實單壁碳納米管( SWNT) 干擾端粒功能。這為 SWNT 的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)和 i-motif DNA 的生物學(xué)重要性提供了新的認(rèn)識。周翔等48發(fā)現(xiàn) G-四鏈體能夠誘導(dǎo) DNA 鏈間的交換，這種高度選擇性的鏈交換反應(yīng)揭示了基因重組和 DNA 修復(fù)的一種全新機(jī)制。譚錚等49鑒定得到了一個端粒DNA 結(jié)合蛋白，該蛋白能夠與端粒、端粒酶相互作用，提高端粒酶延伸端粒 DNA 的催化活性和進(jìn)行性。在 DNA 甲基化方面，周翔等50設(shè)計了系列鹵代銨鹽衍生物，可以高選擇性識別 DNA 鏈中的 5-甲基胞嘧啶，這種精確的識別還可以區(qū)分 5-甲基胞嘧啶和 5-羥甲基、5-醛基胞嘧啶，有望融合下一代測序方法為表觀遺傳學(xué)的研究提供了有力的工具和新的突破。任勁松等51首次將適體DNA 同時用作介孔硅封蓋試劑和癌細(xì)胞靶向試劑，結(jié)合化學(xué)療法、光熱療法和成像于一體系，用于癌癥診斷和治療，該工作作為封面文章發(fā)表在Adv Mater 上。他們52還通過納米金可視化的方法對微量端粒酶活性進(jìn)行快速檢測。這些針對 miNA、端粒酶、循環(huán)腫瘤細(xì)胞的研究對于目前癌癥的快速診斷和早期預(yù)警提供了技術(shù)支撐。NA 干擾近年來一直被認(rèn)為可用于新一代生物制藥技術(shù)，各國政府及制藥巨頭投入巨大，但小核酸生物制藥一直受到核酸穩(wěn)定性、脫靶效應(yīng)及給藥性差等因素制約。梁子才、席真等53通過深入研究小核酸在人血清中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)血清中 Nase A 具有雙鏈 NA 限制性內(nèi)切酶性質(zhì)，是造成小核酸血清不穩(wěn)定性的主要因素，并發(fā)現(xiàn)對雙鏈 siNA 中熱切位點的單堿基修飾可以極大提高小核酸血清穩(wěn)定性。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，利用普適性堿基對雙鏈 siNA 進(jìn)行單點突變，可以極大提高 NA 干擾中雙鏈 siNA 的鏈選擇性，降低siNA 的脫靶效應(yīng)54。通過研究 siNA 的體內(nèi)不對稱性選擇機(jī)制而設(shè)計合成的超高效 siNA可以達(dá)到 pmol/L 級的 NA 干擾活性55。5 分析方法和手段的進(jìn)展徐濤和徐平勇等在超高分辨率成像領(lǐng)域取得重要研究成果。近期發(fā)展的超高分辨率成像技術(shù)( F) PALM/STOM 能夠在納米尺度展示生物分子的精確定位，是蛋白質(zhì)研究和熒光成像領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢。然而，現(xiàn)有的熒光蛋白限制了當(dāng)前( F) PALM/STOM 等超高分辨成像技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步完善和優(yōu)化現(xiàn)有的超高分辨成像方法，發(fā)展具有普適性和顏色多樣的新型光激活熒光蛋白( PAFPs) 至關(guān)重要。但是與傳統(tǒng)的光不敏感熒光蛋白( 比如 GFP，F(xiàn)P) 領(lǐng)域相比較，可逆光轉(zhuǎn)化熒光蛋白 SFP 的發(fā)展較為滯后，品種較少。他們通過一種光轉(zhuǎn)化熒光蛋白 mEos2 的隨機(jī)突變，獲得了一系列具有光開關(guān)功能的綠色熒光蛋白，改善了現(xiàn)階段光開關(guān)熒光蛋白( SFP) 發(fā)展滯后、品種單一的問題。其中的 mGeos-M 因其具有十分優(yōu)異的單分子特性，有望成為替代 Dronpa 的新一代超高分辨率顯微成像分子探針56。此外，為了解決膜蛋白的標(biāo)記問題，同時發(fā)展綜合性質(zhì)更佳的熒光蛋白探針，他們57通過晶體結(jié)構(gòu)解析和定點突變，獲得了 2個真正單體熒光蛋白: mEos3. 1 和 mEos3. 2。進(jìn)一步的研究顯示，mEos3 具有成熟時間短、亮度高的特性。用于單分子定位時具有很高的標(biāo)記密度和光子產(chǎn)出，在超高分辨成像中比當(dāng)前所有PAFPs 都表現(xiàn)出色。楊弋等58發(fā)明了一種簡單實用的光調(diào)控基因表達(dá)系統(tǒng)，將可以廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，并可能用于光動力治療，這是我國科學(xué)家在合成生物學(xué)與光遺傳學(xué)前沿領(lǐng)域獲得重要突破。通過合成生物學(xué)的方法，他們成功開發(fā)出一種簡單、穩(wěn)定、容易使用的光調(diào)控基因表達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)稱為 LightOn 系統(tǒng)，由 1 個光調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子和含有目的基因的轉(zhuǎn)錄單元構(gòu)成。在藍(lán)光存在的情況下，轉(zhuǎn)錄因子能夠迅速被激活，從而啟動目的基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)。利用該系統(tǒng)在小鼠活體內(nèi)進(jìn)行實驗，他們成功實現(xiàn)了紅色熒光蛋白在小鼠肝臟的指定區(qū)域的光控表達(dá)。此外，他們課題組59還開發(fā)了一系列檢測 NADH 的遺傳編碼熒光探針。方曉紅、郭雪峰等60利用具有 G4 構(gòu)象的DNA 適配體分子構(gòu)建了功能化的單分子器件，實現(xiàn)了對凝血酶的高選擇性的可逆檢測，最低檢測濃度可達(dá) 2. 6amol/L( 88ag/mL) 。與微流控技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步實現(xiàn)了對單個生物結(jié)合過程的在線檢測，從而發(fā)展了一種高特異性、高靈敏度的在線生物檢測的可行性技術(shù)。該方法也提供了單個蛋白質(zhì)分子檢測的新思路。顏曉梅等61通過對噬菌體進(jìn)行基因改造，構(gòu)建了雙砷染料-四半胱氨酸重組噬菌體體系，成功地應(yīng)用于細(xì)菌的靈敏、特異檢測。由于噬菌體只能在活菌中繁殖，而且重組四半胱氨酸標(biāo)簽中的半胱氨酸必須處于還原態(tài)才能與雙砷染料牢固結(jié)合，因此可以利用細(xì)菌胞漿的還原環(huán)境，通過對重組噬菌體四半胱氨酸的檢測實現(xiàn)死菌和活菌的區(qū)分。噬菌體入侵活的宿主菌并在其體內(nèi)快速繁殖，噬菌體衣殼蛋白所表達(dá)的四半胱氨酸片段與后續(xù)加入的跨膜雙砷染料結(jié)合，發(fā)出強烈的熒光，單個活細(xì)菌的信號可用流式細(xì)胞儀或熒光顯微鏡靈敏檢測。陳鵬課題組發(fā)展了一種強酸性環(huán)境下的活細(xì)胞 pH 熒光探針62。由于傳統(tǒng)的基于熒光蛋白或熒光小分子的 pH 探針在酸性條件下不夠穩(wěn)定或細(xì)胞內(nèi)定位困難，無法適用于對強酸性環(huán)境下的活細(xì)胞進(jìn)行探測。他們通過將酸性分子伴侶蛋白質(zhì)和熒光小分子相結(jié)合，成功用于檢測活體內(nèi)強酸性環(huán)境的pH 熒光探針，并分別在革蘭氏陰性細(xì)菌及哺乳細(xì)胞表面做了展示。楊朝勇等63發(fā)展了一種基于l-DNA 分子信標(biāo) ( l-MB) 的安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的細(xì)胞內(nèi)的納米溫度計。根據(jù)該探針?biāo)O(shè)計的溫度敏感的發(fā)夾結(jié)構(gòu)和熒光共振能量轉(zhuǎn)移的原理，它能夠用于對活細(xì)胞內(nèi)的溫度進(jìn)行測量，將成為一個無創(chuàng)、準(zhǔn)確地獲取細(xì)胞內(nèi)的溫度的有力工具。6 化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的部分國際研究熱點和前沿以及我國科學(xué)家的貢獻(xiàn)6. 1 以細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)為主線的化學(xué)生物學(xué)研究蓬勃發(fā)展在 G 蛋白偶聯(lián)受體、TGF- 受體、Wnt、NFB等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的分子機(jī)理及其與細(xì)胞增殖、分化、凋亡及遷移等生命活動的關(guān)系的化學(xué)生物學(xué)研究方面都取得了突破性的進(jìn)展，涌現(xiàn)了若干高水平的研究成果。我國科學(xué)家也在急性髓系白血病( AML) 細(xì)胞凋亡的機(jī)制和治療手段、抑制TGF 受體活性的小分子及機(jī)理研究、酸敏感離子通道的動力學(xué)行為和通道門控功能、干細(xì)胞多能性的維持機(jī)制及相應(yīng)的誘導(dǎo)因子的發(fā)現(xiàn)等方面取得突破。6. 2 生物活性分子的合成方法取得進(jìn)展在直接利用天然小分子探針的同時，科學(xué)家們還發(fā)展了高效的天然產(chǎn)物組合庫合成方法，復(fù)雜天然糖綴合物及寡糖的化學(xué)合成方法，環(huán)肽及帶有不同修飾基團(tuán)的多肽的合成方法，利用合成生物學(xué)合成活性分子等。在合成生物活性小分子或生物大分子方面所取得的這些成果極大地推動了我國化學(xué)生物學(xué)的發(fā)展。6. 3 現(xiàn)代分析技術(shù)和方法在化學(xué)生物學(xué)研究中的重要性日益彰顯各種原位、實時、高靈敏、高選擇、高通量的新方法和新技術(shù)在國際上不斷涌現(xiàn)，我國科學(xué)家對此也做出了巨大貢獻(xiàn)。例如，在生物分子檢測探針和生物傳感器方面，發(fā)展了多種適合于實時檢測活細(xì)胞中金屬離子、自由基、活性氧等重要生物活性分子的光學(xué)探針，發(fā)展了細(xì)胞表面糖基和聚糖等的原位檢測傳感器。開發(fā)了基于化學(xué)抗體-核酸適配體的蛋白質(zhì)、核酸檢測新方法，藥物小分子或小分子配體與蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)和分子識別的質(zhì)譜分析和光學(xué)檢測等新方法。在單分子水平的分析檢測方面，發(fā)展了能在活細(xì)胞狀態(tài)監(jiān)測蛋白質(zhì)亞基組成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中蛋白質(zhì)動態(tài)行為的單分子熒光成像法、分析蛋白質(zhì)聚集狀態(tài)的單分子熒光光譜法，以及能在細(xì)胞上實時檢測配體-受體的作用力和復(fù)合物穩(wěn)定性的單分子力譜法。6. 4 在時間與空間上對細(xì)胞內(nèi)的分子過程與新陳代謝進(jìn)行成像與控制的技術(shù)這些技術(shù)可為復(fù)雜生物學(xué)問題的解析提供重要的工具，是國際上的研究前沿與熱點。我國科學(xué)家針對細(xì)胞代謝研究的技術(shù)瓶頸問題，發(fā)明了系列特異性檢測核心代謝物 NADH 的基因編碼熒光探針，實現(xiàn)了活細(xì)胞各亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中對細(xì)胞代謝的動態(tài)檢測與成像，不僅可為細(xì)胞、發(fā)育等基礎(chǔ)研究提供創(chuàng)新方法，也為癌癥和代謝類疾病的機(jī)制研究與創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)提供了有力工具。在此基礎(chǔ)上，利用合成生物學(xué)與化學(xué)生物學(xué)方法，開發(fā)出由光調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子和含有目的基因的轉(zhuǎn)錄單元構(gòu)成的基因表達(dá)系統(tǒng)，為發(fā)育、神經(jīng)生物學(xué)的復(fù)雜生物學(xué)問題解析提供有力研究工具。6. 5 計算化學(xué)和計算生物學(xué)取得明顯進(jìn)展計算化學(xué)與計算生物學(xué)在生命科學(xué)和藥學(xué)研究中的應(yīng)用在國際上受到了極大的關(guān)注。我國科學(xué)家較快地將計算化學(xué)和計算生物學(xué)應(yīng)用于化學(xué)生物學(xué)研究，開展了不少開創(chuàng)性的研究和有特色的工作，取得了一些具有重要創(chuàng)新性的成果。其中，在以小分子為探針進(jìn)行藥物靶標(biāo)預(yù)測和生物分子功能研究、生物分子模擬應(yīng)用、生物網(wǎng)絡(luò)和化學(xué)小分子對于生物系統(tǒng)的作用以及蛋白質(zhì)設(shè)計等方面都取得了一些創(chuàng)新性成果。7 化學(xué)生物學(xué)的發(fā)展趨勢化學(xué)生物學(xué)經(jīng)過十多年的發(fā)展正在成為一門具有自身特點和內(nèi)涵的學(xué)科，將成為研究生命科學(xué)問題的重要手段及創(chuàng)新藥物研究的重要工具。以下就未來化學(xué)生物學(xué)發(fā)展的趨勢加以展望。7. 1 化學(xué)生物學(xué)的方法與技術(shù)7. 1. 1 探針分子的發(fā)現(xiàn) 分子探針是一類能與其他分子或者細(xì)胞結(jié)構(gòu)相結(jié)合，幫助獲得重要生物大分子在細(xì)胞中的定位、定量信息或進(jìn)行功能研究的分子工具。7. 1. 2 生物正交化學(xué) 發(fā)展能夠在活細(xì)胞環(huán)境下進(jìn)行但不干擾細(xì)胞內(nèi)在生化過程的化學(xué)分子工具及其化學(xué)反應(yīng)。7. 1. 3 生物標(biāo)記與成像 通過具有高靶標(biāo)親和力或者生物正交化學(xué)反應(yīng)能力的分子探針標(biāo)記特定物質(zhì)，對生物過程進(jìn)行細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究。7. 1. 4 生物分子的光調(diào)控 通過遠(yuǎn)程光源誘發(fā)生物分子上所連光活性基團(tuán)的反應(yīng)，從而對生物分子實現(xiàn)具有時空分辨率的結(jié)構(gòu)及功能調(diào)控，并發(fā)現(xiàn)動態(tài)生命體系中新的分子機(jī)制。7. 2 生物大分子的化學(xué)生物學(xué)7. 2. 1 核酸化學(xué)生物學(xué) 在分子水平上研究核酸的結(jié)構(gòu)、功能及作用機(jī)理，運用核酸探針研究和調(diào)控細(xì)胞生命活動，并在研究過程中強調(diào)化學(xué)方法與化學(xué)手段的運用與創(chuàng)新。7. 2. 2 蛋白質(zhì)與多肽化學(xué)生物學(xué) 在分子水平上研究蛋白質(zhì)與多肽分子的結(jié)構(gòu)、功能及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用，并在研究過程中強調(diào)化學(xué)方法與化學(xué)手段的運用與創(chuàng)新。7. 2. 3 糖、脂化學(xué)生物學(xué) 運用化學(xué)方法與技術(shù)，在分子水平上研究糖和脂這兩類生物分子的結(jié)構(gòu)與功能，探索糖、脂在生命過程中的基本規(guī)律，促進(jìn)糖、糖綴合物和脂的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。7. 2. 4 生物大分子的修飾與功能 運用化學(xué)生物學(xué)方法與技術(shù)研究生物大分子的化學(xué)修飾、機(jī)理、調(diào)控基因表達(dá)等生物功能。7. 3 計算化學(xué)生物學(xué)活性分子設(shè)計理論及應(yīng)用; 生物分子功能的理論預(yù)測; 生物網(wǎng)絡(luò)計算與模擬; 生物體系分子動態(tài)學(xué)以及生命體系的人工設(shè)計與模擬等。7. 4 細(xì)胞化學(xué)生物學(xué)7. 4. 1 探針分子與生物大分子的相互作用 發(fā)展特異識別生物大分子的化學(xué)探針，并利用該特異性結(jié)合調(diào)控生物大分子生理功能的探索是化學(xué)生物學(xué)研究的一項重要內(nèi)容。7. 4. 2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的分子識別 利用化學(xué)生物學(xué)方法和技術(shù)，研究重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路以及這些過程中的重要生物大分子在細(xì)胞生理和病理條件下的作用機(jī)制。7. 4. 3 細(xì)胞重編程過程的小分子調(diào)控 將小分子化合物用于干細(xì)胞的自我更新、定向分化及體細(xì)胞重編程等方面的