生物学家研究一个基因的功能有不同的手段，比如说敲除，过表达，用RNAi降低表达等等，比较不常用的是用小分子抑制剂或者激活剂。小分子干扰细胞或者机体有很多优势：1、它很快，不需要做克隆转染等，可以直接通透细胞；2、它很便宜；3、它很容易做到dose dependent，不同浓度观察表型的渐进变化来确证结果；4、它可以在任何时间作用，比如在细胞分化的某个阶段加入小分子来观察特定阶段基因的功能，其它方法就很难做到；5、小分子作用于某个组织细胞，也会作用另一个组织细胞，通常某种小分子作用在一个物种上，也作用在另外一个进化上不是很远的物种上，无需重复劳动；6、小分子的作用一般是可逆的，可以比较方便地清除掉而重新恢复细胞的功能；7、小分子还很容易进行组合同时作用于细胞或个体。

如果有一个抑制或者激活某个蛋白的小分子工具箱（toolbox），那么科学家研究某个基因在不同组织不同物种上的功能就方便多了。此外，小分子化合物可以做药，如果它作用于某个蛋白可以干扰某种疾病的进程的话。在这种思想的指导下，NIH从非常紧张的预算经费（全年300亿左右）中每年拨出1亿美元在全美各地兴建并支持Chemical Genomics Center（NCGC，小分子化合物筛选中心）。

小分子大规模筛选其实在美国的各大制药公司早就是筛选药物的常规手段。NIH是美国政府部门，它成立筛选中心并不是要与公司争利，而是要从长远上加速基础研究的发展，并搭建基础研究和临床应用的桥梁。对于小人群的疾病（rare diseases），或者只在贫穷国家发生的疾病（比如血吸虫病），由于制药公司无利可图，这部分的药物开发的功能也可以由NCGC承担。

在这个大目标的前提下，NCGC就定位成一个服务机构。任何研究所或大学的实验室，如果他们有一个assay（测定法）适合做大规模的小分子筛选并且觉得有一定的意义，都可以申请专门的基金。只要基金的评审通过，那么就可以在NCGC免费进行筛选。当然，NCGC会要求你共享数据，在给予你一定时间申请专利的前提下。

 

那么小分子化合物的大规模筛选是如何进行的呢？

首先是建立适合大规模筛选的assay。Assay通常有biochemical based（基于生化的）和cell based （基于细胞的）。比如你要筛选某个激酶的抑制剂或者激活剂，纯化出蛋白激酶，kinase activity assay（激酶活性测定法）就是 biochemical based的。如果你要筛某个通路的抑制剂或者激活剂，在通路下游的某个基因promoter（启动子）后面插入GFP或者luciferase（荧光素酶），看细胞的GFP的强度或者荧光素酶的活性变化，这个assay就是cell based的。

Assay结果的定量化是个问题。GFP可以直接用荧光显微镜照相并转化成数字信号。荧光素酶可以通过消耗ATP来释放荧光（见下图）。激酶等酶活性需要消耗ATP，ATP的浓度变化又可以通过荧光素酶转化的荧光强度来反应，间接地转化成数量化的信号。

                                   Luciferase

ATP+D-Luciferin+O2      à          Oxiluciferin+AMP+PPi+CO2+Light

其次是assay的微量化（miniaturization）。要筛选几十万个小分子化合物，同时还要做7个不同的浓度梯度，一般反应要求在1536孔板上进行。96孔板可行的，1536孔板上不同孔的可重复性就可能有问题。

然后是小规模试筛，如果一切顺利，最后就是让机器手来帮你完成筛选了。

筛选之后是生物信息学家分析数据，找到目标小分子；用第二种assay确证并缩小目的小分子（narrow down）；化学家合成先导小分子（lead compound）类似物进行优化；利用这些小分子进行整体动物研究等等。 

 

介绍完NCGC，又想再贩卖点私货：

 

基础研究到临床应用距离并没有你想象的那么遥远。架起这二者的桥梁就是类似于NCGC的转化机构。研究某个酶，或者某个信号通路等，说不准它们就适合做这样的筛选，并具有潜在的应用前景。在做基础研究的同时如果有应用研究的概念，也许你自己就可以直接参与到成果的转化中。（国内上海药物所的新药筛选中心具有类似于NCGC的功能，见http://www.screen.org.cn/）

做基础研究的不要妄自菲薄。如果没有对细胞周期，蛋白功能，各个信号通路的了解，应用开发研究也就成了无源之水，无本之木。而且生物学的很多应用研究也在挣扎，比如在现有的条件下开发治疗癌症的药物，本身小鼠模型的研究需要大量经费，服用药物往往需要消耗大量的金钱来延长病人几个月的寿命，生活质量还很低。在很多领域，药物开发还尚待基础研究提供更多的思路和药物靶点。

 

 

进一步阅读：

Industrial-Style Screening Meets Academic Biology

http://sciencemag.org/cgi/content/full/321/5890/764

 

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自廖新化科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-320403-307812.html

上一篇：在NIH听Shinya Yamanaka同学讲故事
下一篇：我在科研入门时遇到的问题（心理篇）