导读

从出生到死亡，化合物小分子与人类个体的各种活动息息相关。因此确定化合物小分子作用靶点可以清晰的揭示药物分子的药理和毒副作用机制，并且有助于药物的脱靶效应和耐药性机制的阐明。而化学蛋白组学作为化学生物学在后基因组时代的最新发展，能在复杂生物系统中无差别地鉴定化合物的未知作用靶点，并且通过探针与非探针两种方式完成高效的靶标鉴定。来自于南京大学的方雷教授课题组通过探讨基于化学蛋白组学的化合物小分子靶点鉴定方法和典型案例，为新药的发现和开发提供关键的方向和策略，并于2024年7月23日将科研成果发表在Biology 期刊。

研究内容

• 化合物小分子与人体的联系

根据来源的不同，人体相关的化合物小分子大致可以被分为外源摄入和内源产生两大类型。例如日常摄入的茶饮品中含有的咖啡酸可以改善机体炎症反应；工业活动排放的多环芳烃存在引发肝中毒的可能。而内源性化合物小分子既包括人体本身代谢产生的小分子，如糖类、核苷等，也包括体内微生物产生的内源性调节因子等。这些数以千计的内源小分子之间只有达到精确平衡，人体自身才能维持正常的稳态系统 (如图1)。当然，外源与内源小分子并非完全独立，一些小分子既源于外界环境中，也可由人体自身合成，例如乳酸、葡萄糖等。

图1. 调节人体平衡稳态的多种小分子

• 靶标鉴定的化学蛋白质组学方法

基于化合物小分子靶标鉴定的药物开发方法更注重疾病分子机制的阐明，在药物发现过程中具有更高的准确性和针对性。而化学蛋白组学能够在细胞内和体内高通量鉴定化合物小分子的共价和非共价结合蛋白，全面表征潜在治疗靶点，已经在靶标鉴定、药物发现等诸多领域得到了广泛应用。目前普遍使用的化学蛋白质组学方法通过是否依赖于化学探针的靶向鉴定，被分为基于化学修饰小分子探针的化学蛋白组学，例如ABPP与CCCP (如图2)，以及主要关注蛋白质组在小分子配体结合前后的生理特性变化，进而进行靶标识别的无探针化学蛋白组学，例如TPP与TRAP (如图3)。

图2. 基于化学修饰小分子探针的化学蛋白组学 (ABPP：基于活性的化学蛋白组学方法；CCCP：以化合物为中心的化学蛋白组学方法)。

图3. 无探针修饰的化学蛋白组学 (TPP：热化学蛋白组学分析；TRAP：靶标响应可及性分析)。

• 代谢物小分子的靶标鉴定

代谢物小分子作为维持人体生命活动多样性和复杂性的关键因子，目前越来越多的研究发现了疾病与代谢物小分子之间的关系。本文重点关注化学蛋白组学方法在人体脂质代谢与糖代谢两大代谢通路中小分子靶标鉴定的最新发展与应用，以此揭示新的生物学机制。例如Miao等借助叠氮—葡萄糖点击探针结合化学蛋白组学，发现葡萄糖本身可以作为信号分子直接结合组织分化相关的RNA解旋酶DDX21二聚化，以实现调控表皮分化功能。Liu等通过TPP确定蛋白质组中乳酸丰度增加的直接影响，首次定义了乳酸直接调节蛋白质功能以控制细胞周期和增殖的生化机制。此外，微生物代谢物与人体间的联系同样能够通过化学蛋白组学进行表征。

• 小分子药物的靶标鉴定

小分子药物作为一种能够轻易穿透细胞膜的外源特异性物质，能够直接与主要靶点蛋白质相互作用，从而保证药物发挥药理活性。本文通过关注化学蛋白组学在合成小分子药物与天然小分子药物的最新进展与应用，分析未表征的相互作用，完成药物功能靶点的进一步注释。例如Ma等通过合成光敏二甲双胍的化学探针，并多步筛选鉴定获得关键结合蛋白PEN2，确定其为二甲双胍的直接分子靶点，明确了二甲双胍的具体治疗效益。Yan等通过合成生物素化小檗碱并整合化学蛋白质组学，在结直肠癌细胞中鉴定出小檗碱的直接靶蛋白PKM2，证明小檗碱具备作为癌症治疗的理候选药物或先导化合物的潜力。

研究总结

总的来说，对于如何解决药物靶标鉴定这个困扰着药物发现和化学生物学研究的技术瓶颈，发展准确和高通量的靶标鉴定方法十分有效，不仅有助于加速药物研发的进程，降低研发消耗，也为发现新的治疗药物提供巨大的机会。尽管本综述中描述了化学蛋白组学靶标鉴定的许多进步和成功，但是由于成本和所需的专业知识，化学蛋白质组学分析对药物发现的影响仍然受到质谱技术的限制。但是我们相信随着质谱分析和定量的灵敏度、分辨率的不断提高，以及数据采集和分析算法的不断改进，化学蛋白质组学自身靶点鉴定能力将更加精确。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2882000

进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/biology

Biology 期刊介绍

主编：

Jukka Finne, University of Helsinki, Finland; 

Andrés Moya, University of Valencia and CSIC, Spain

期刊主要涵盖细胞生物学、发育生物学、进化生物学、生物化学与分子生物学、微生物学等所有生物领域。期刊被 Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed 等重要数据库收录。

2023 Impact Factor：3.6 (JCR Q1*)

2023 CiteScore：5.7 (Q1**)

Time to First Decision：16.1 Days

Acceptance to Publication：2.8 Days

* JCR Q1 at "Biology"

** CiteScore Q1 at "General Agricultural and Biological Sciences"