DNA-encoded drug libraries

Big is beautiful

有个技术，总让我跃跃欲试，苦于对化学的懵懂，只能遥遥观望了。等了很久以为自己能多加了解一些，现在看来是停滞不前，需要高人指点啦。那就简要介绍一下，希望能和同仁多多交流。

近期在两次seminar中听到关于同一个技术的介绍：DNA-encoded chemicallibraries（也称DNA-encoded libraries, DEL; 或DNA-encoded library technology, DELT），一次是RobertA. Goodnow, Jr.，三年前他主编了一本关于该项技术的书“A Handbook for DNA-Encoded Chemistry: Theory andApplications for Exploring Chemical Space and Drug Discovery”，可谓是权威；一个是上周AstraZenec的Dr.Roland W. Bürl在介绍PAR2的抑制剂筛选时也提及该技术。通常情况下关于化学的反应机理我会一概忽略，因我无法清晰的理解其中缘由。可有意思的是这个技术可凭借DNA-tag指数倍的合成数以亿计的化合物文库，这也是让我感觉很神奇却又不解的地方：HOW?

X-Chem的一张图让我简单清晰的对DEL有些了解，猜测可能是每个小分子会连接一小段DNAmarker，两个小分子发生反应的同时彼此的DNA marker也会连接在一起，如此反复。做好文库以后和靶点（蛋白）做亲和层析，富集能结合靶点的化合物，通过测序即可确定新组成的分子有哪些基团组成。DiCE Molecules通过这一技术与制药巨头Sanofi达成2亿多美元的交易，他们的CEO Dr. Kevin Judice提到DEL这项技术可能已经通过了瓶颈期，正在广为被人们接受，积极推进在药物早期筛选的应用，前景十分广阔。^[1]

From X-Chem, http://www.x-chemrx.com/our-science/

可是问题来了：如何实现呢？这里面不仅需要MedChem，还需辅以informatics、single strand DNA sequencing等工作。看似简单，内部却是有许多玄机。

Building barcode ^[2]

DEL这个想法最早起源于1992年Sydney Brenner和Richard Lerner发表的一篇文章，在构建组合文库（combinatoriallibrary）中将一小段DNA与每个小分子相连，如此构建的巨大文库可以通过DNA这个“barcode”识别。^[3]GSK的epoxide hydrolaseinhibitior 目前在Phase I，用于治疗chronicobstructive pulmonary disease。

一种是DNA单纯的作为一种Barcode，在合成过程中与小分子相连，如GSK/Praecis(目前DEL的化合物数目已超过1 trillion)，X-Chem, HitGen(中国成都)，Nuevolution（Copenhagen）；另一种是DNA可作为模板指导小分子的合成，如EnsembleTherapeutics (Cambridge, Massachusettes)在DNA链上通过Building Blocks （BB，如氨基酸、胺、羧酸）与小分子相连，通过DNA的互不配对拉近小分子的距离，在通过共价结合形成新的分子；,Vipergen (Copenhagen)采用类似的方法，只是在小分子靠近是采用三向（three-way）或四向（four-way）合成的方式。该技术需要巧妙、严格的设计方可实施。

From DiCE Molecules, http://www.dicemolecules.com/the-dice-difference/

考虑到涉及太多太多的化学，我还是主动放弃，当一个外行人看看热闹就好。去年年底的一篇综述也简单介绍DEL几种常用的方法，感兴趣的朋友可以追溯一下。^[4]

其实一个技术是否好用，直接看看几个成功的案例就知道。不确定这方面谁开始的最早，诸如GSK、Roche这类Big Pharma在十年前已经开始摸索，建立了独自的、特有的DEL，而GSK现已拥有比2 million大500,000倍的DEL，可以想想是如何得到的又能用在哪里。2009年苏黎世联邦理工学院的团队介绍了他们是如何用DEL技术筛选到TNF抑制剂，文中构建的DEL规模仅有4000左右各化合物。^[5]2012年该团队扩大了DEL的规模，在3万的DEL重筛选IL-2的抑制剂，^[6]几年后又从76,230的DEL中的筛选到Tankyrase 1 (一种多聚ADP-核糖聚合酶)的抑制剂，得到250nM的高亲和力小分子；^[7]X-Chem从110 million大小的DEL中筛选到BTK抑制剂，文中利用profile-basedselection 可快速的筛选到高亲和力的小分子抑制剂，更让人感兴趣的是结合的机制多样，不局限于人们已知的模式。^[8]这样的筛选工作我想需要强有力的合作才行，化学、信息和生物，缺一不可。

有人说DEL的时代即将来临，HTS的时代终将过去，这个技术的应用值得拭目以待：超大规模的DEL、极少量的靶蛋白、高效的筛选方法、开启多种新机制的探索，总感觉近几年内会有爆发式的新发现，不仅对小分子药物研发有革命性的影响，对基础研究也会有相当大的冲击，若是加上人工智能的分析，真不知道会有多少新东西出现。

不多说了，接着加班吧！

Big is beautiful!

TJ Pharmaron

2017年5月7日

Reference

1.          Mullard, A., DNA-encoded drug libraries come of age.Nat Biotechnol, 2016. 34(5): p.450-1.

2.          Mullard, A., DNA tagshelp the hunt for drugs. Nature, 2016. 530(7590):p. 367-9.

3.          Brenner, S. and R.A. Lerner, Encoded combinatorial chemistry. Proc Natl Acad Sci U S A, 1992. 89(12): p. 5381-3.

4.          Shi, B., et al., Recentadvances on the encoding and selection methods of DNA-encoded chemical library.Bioorg Med Chem Lett, 2017. 27(3):p. 361-369.

5.          Buller, F., et al., Discoveryof TNF inhibitors from a DNA-encoded chemical library based on diels-aldercycloaddition. Chem Biol, 2009. 16(10):p. 1075-86.

6.          Leimbacher, M., et al., Discoveryof small-molecule interleukin-2 inhibitors from a DNA-encoded chemical library.Chemistry, 2012. 18(25): p. 7729-37.

7.          Samain, F., et al., Tankyrase1 Inhibitors with Drug-like Properties Identified by Screening a DNA-EncodedChemical Library. J Med Chem, 2015. 58(12):p. 5143-9.

8.          Cuozzo, J.W., et al., Discovery of a Potent BTK Inhibitor with aNovel Binding Mode by Using Parallel Selections with a DNA-Encoded ChemicalLibrary. Chembiochem, 2017.