化学生物学导论课件

1,北京大学北大-清华生命科学联合研究中心,化学生物学导论,2,一.化学生物学概述二.细胞死亡的化学生物学研究,3,个人教育与工作经历,教育背景：20012006美国波士顿大学博士（有机化学与化学生物学）导师：Prof.JohnPorco19972001北京大学学士（化学）导师：王剑波教授工作经历：2014现在北大-清华生命中心高级研究员2014现在北京大学化学学院教授20082014北京生命科学研究所研究员，高级研究员20082014天津大学药学院副教授，教授20062008美国哥伦比亚大学博士后（生物有机化学）合作导师：Prof.SamuelDanishefsky,4,一.化学生物学概述二.细胞死亡的化学生物学研究,5,生命,化学,医学,化学生物学,6,Nat.Chem.Biol.2005,1,3.,“Inourview,chemicalbiologyfocusesonunderstandingbiologicalsystemsatthemolecularlevelandusingthesemechanisticinsightstoexpandchemistryandbiologyinnewdirections”.,Nat.Chem.Biol.2005,1,64.,StuartSchreiber“ChemicalBiologyprovidesthemissingsmall-moleculepieceofthecentraldogma.ChemicalBiologistsmakebothsmallandlarge“smallmolecules”,andtheyusethemtoilluminatetheprinciplesthatunderlielife.”,7,ChemBioChem2009,10,16-29,“Chemicalbiologyasthenamesuggests-employsthemethodsandtechniquesofchemistryforthestudyofbiologicalphenomena.,HerbertWaldmann:“Chemicalbiologyasthenamesuggests-employsthemethodsandtechniquesofchemistryforthestudyofbiologicalphenomena.,J.Biol.Chem.2010,285,11031-11032.,“Chemicalbiologyisascientificdisciplinespanningthefieldsofchemistryandbiologythatinvolvestheapplicationofchemicaltechniquesandtools,oftencompoundsproducedthroughsyntheticchemistry,tothestudyandmanipulationofbiologicalsystems.”,8,化学生物学是一门利用外源的化学物质、化学方法或途径，在分子层面上对生命体系进行精准和动态的修饰、调控和阐释的科学。,9,化学生物学与生物化学的区别,核心思想：外源化学核心工具：化学探针核心任务：分子精度核心目标：揭示生命本质并服务于化学,10,(1996),(1996),NO特殊生理活性发现（1774年,JosephPriestly）,11,1994年创刊,1997年创刊,2001年创刊,2008年创刊,(Elsevier),(Springer),(cell),12,2004*年创刊,2005年创刊,13,2006年创刊,2004年创刊,2005年创刊,(RoyalSociety),2005年创刊,14,什么是化学生物学,主要研究方向,国际发展与资助情况,我国发展与资助情况,15,StuartSchreiber,CarolynBertozzi,PeterSchultz,利用外源物质（小分子探针）研究生命体系,化学小分子蛋白质靶标,为生命科学研究提供全新的方法和手段,15,16,M.Bucci,C.Goodman,T.L.Sheppard,“Adecadeofchemicalbiology”Nat.Chem.Biol.2010,6(12),847-854.,17,MethodsoftheYear2010-2013,NatureMethod,18,NSF:NationalScienceFoundationNIH:NationalInstituteofHealthDOE:DepartmentofEnergy,美国,NIHDirectorsNewInnovatorProgram重点资助的研究方向,19,生物医学路线图计划(NIHRoadmapforMedicalResearch),NIHRoadmap资助的小分子筛选中心网络,分子库和成像计划(MolecularLibrariesandImaging,MLI),20,美国的化学生物学高水准研究单位：,21,支持化学生物学研究的基金机构:EPSRC:EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil(英国工程和自然科学研究委员会)BBSRC:BiotechnologyandBiologicalSciencesResearch(英国生物技术与生物科学研究理事会)MRC:MedicalResearchCouncil(英国医学研究理事会)RoyalSociety(Fellowships)(英国皇家学会).WellcomeTrust,CancerResearchUK,EUfunding,LeverhulmeTrust,英国,22,英国伦敦皇家学院、肿瘤研究所等单位联合组建了化学生物学（）研究中心，从事生物膜的结构与功能研究。,化学生物学和生物化学的资助比例（A）参与这些研究的学生人数比例（B）EPSRC（2008）,23,德国,合作研究中心（CRC）目前获DFG资助的多个CRC中心都是在化学与生物学的交叉界面上开展研究工作，化学生物学是其主要的研究领域之一。,德国科学基金会（DFG）,24,日本,日本学术振兴会（JSPS）,25,什么是化学生物学,主要研究方向,国际发展与资助情况,我国发展与资助情况,26,2003年化学二处设立了化学生物学学科2005年生物有机与化学生物学学科代码B02072013年化学生物学学科代码B0212,学科建设情况（国家自然科学基金委员会）,27,基金资助引领化学生物学发展,80年代初攀登计划“生命过程中的化学问题”九五计划化学与生命科学交叉的重大项目5项十五计划化学与生命科学交叉的重点项目32项2003-2005化学与生命科学交叉的重大国际合作(8项,60-95万/项)2004-2006健康领域的交叉面上项目(2000万/年)2007-2015重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”（20000万）,28,化学生物学研究机构分布,29,什么是化学生物学,主要研究方向,国际发展与资助情况,我国发展与资助情况,30,31,（1）分子探针,32,NatureChemicalBiology关于“化学探针”与“药物”区别的总结,33,（2）生物分子的化学合成与标记,34,（3）生物相容反应的发展及应用,35,（4）化学遗传学,36,（5）生物合成化学,37,（6）药物发现的化学生物学,38,（7）应用化学生物学,39,（8）新方法、新理论及应用,40,一.化学生物学概述二.细胞死亡的化学生物学研究,41,活性化学小分子探针,基础生命科学研究,转化医学创新药物研究,发现,制备,评价,研究背景：利用活性小分子探索化学与生物医学交叉,42,研究策略,细胞死亡的小分子化学调控,高通量筛选化学遗传学,活性天然产物导向的化学生物学,通过天然产合成化学、化学遗传学、分子生物学等多学科交叉，利用活性小分子研究细胞死亡的生物作用机制和调控方法,Nat.Chem.Biol.2015,underreviewNat.Chem.Biol.2013,9,84-89Cell2012,148,213-227CellRes.2010,20,1289-1305,Nat.Commun.2015,6,6522Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,1011-1015Nat.Commun.2014,5,4614Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,12111-12115Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,9257-9261J.Am.Chem.Soc.2013,135,4996-4999J.Am.Chem.Soc.2012,134,12414-12417Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,491-495,43,研究背景：经典的细胞死亡途径（细胞凋亡和坏死）,细胞凋亡(apoptosis),细胞坏死(necrosis),细胞死亡的分子作用机制和调控方法科学难点：调控基因致命性，信号转导通路复杂研究现状：经典生物遗传学无法阐明所有未知生物同路；高效，可视，可控，定量化的化学方法亟待发展,44,HallmarksofCancers,HanahanandWeinbergCell2011,144,646,45,Amyotrophiclateralsclerosis(ALS)-肌萎缩侧索硬化症,46,ExtrinsicPathwaysforProgrammedCellDeath,Ouraims:usingsmallmoleculestodissectandmodulatecelldeath!,necroptosis,47,Forwardchemical-geneticsincludesscreeningexogenousligandswithacell-basedassay,selectingaligandthatshowsaphenotypeofinterest,andidentifyingtheproteintarget(s)ofthisligand.Reversechemical-geneticsincludesoverexpressingaproteinofinterest,screeningforachemicalligandfortheprotein,andusingtheligandtodeterminethephenotypicconsequencesofalteringthefunctionofthisproteininacellularcontext.,ChemicalGeneticsUsingSmallMolecules,48,AdvantagesofChemicalGenetics,Chemicalgenetictoolsaremoreeffectiveforstudyingessentialgenesortransientprocessesandinmostpart,feasibleinthesystemmostrelevanttohumanhealth.Chemicalgeneticapproachusingsmallmoleculesiscomplementarytotheclassicgeneticmethods,becausethesesmallmoleculesactconditionallyandrapidly,andcandirectlytargetthegenesproteinproduct.Theycanalsohitonseveralproteinssimultaneously,andcanbeusedinacombinationformultiplepathwaysinculturedhumancells.Inaddition,ifastudyrelatestohumandisease,asmallmoleculemayalsoserveasaleadcompoundfordrugdevelopment.,49,BeckmanFX,ORCAOptimizedRobot,MicroplateCarouselandParadigmDetectionPlatform,50,DevelopmentofaRobustBioassayforHigh-throughputScreening(HTS),Takingadvantageoftherobustnessofnecrosisinducedbythecombina-tionaltreatmentofTNF-a,Smacmimetic,andz-VAD-fmk,Wescreenedachemicallibraryof200,000forcompoundsthatblocknecrosis,Cell-basedassayforscreeninginhibitorsofnecrosis.HT-29cellwaspre-treatedwithDMSOorpositivecontrolnecrostatin-1(Nec-1)for1hour,followedbythetreatmentofDMSOaloneorTNFa/Smacmimetic/z-VADforadditional72hours.CellviabilitywasdeterminedbymeasuringATPlevelusingcell-titergloassay(Promega),Yuanetal,Nat.Chem.Biol.2008,313,51,IdentificationofHit14fromHTS,52,SyntheticPlanforStructuralModificationsofHit,53,SubstitutionatR1bymethylispreferred,bypropargyl,benzylorhydrogenreducetheactivity.,SubstitutionatR2byHispreferred,byBroralkyllittlereducetheactivity.,Doublebondiscriticalfortheactivity,Replacedbypyrimidinelittlereducestheactivity.,2-NO2thiopheneisindispensable,3-NO2thiophenereducesactivity，2-Brthiopheneisinactive,Furanringreducesactivity,andincreasedtoxicity,othernitro-substitutedaromaticringalsoreducesactivity,SARStudiesoftheHitCompound,54,Necrosulfonamide(NSA)andItsNegativeAnalogs,55,TheEffectsofNecrostatin-1andNecrosulfonamide(NSA)onRIP3,56,TheEffectofNecrosulfonamide(NSA)ontheRIP1/RIP3Interaction,57,IdentificationoftheMixedLineageKinaseDomain-likeProtein(MLKL)asaNecrosomeComponent,58,EvaluationofMLKLasaValidTargetforNecrosis,1.IsMLKLcriticalfornecroticpathway?2.IsMLKLthecellulartargetfornecrosulfonamide(NSA)?,WeplantouseNSA-basedchemicalprobestoaddressthisquestion!,59,Insertionofalong,rigidpolyprolinehelixbetweenasmall-moleculebaitandabiotintagbooststhecapacityofaffinitypurificationandtherebyallowsfortheisolationoflow-abundanceorlow-affinityproteins.,J.Am.Chem.Soc.2007,129,873-880,DesignoftheChemicalProbe,60,SynthesisoftheKeyIntermediates,61,SynthesisoftheChemicalProbes,62,IdentificationoftheTargetProteinthroughPull-downExperiment,63,IdentificationofMLKLastheCellularTargetofNecrosulfonamide(NSA),64,IdentificationofCys86ofMLKLastheNecrosulfonamide-bindingResidue,65,利用活性小分子发现全新的细胞坏死分子作用机制,Sun,L.;Wang,H.;Wang,Z.;He,S.;Chen,S.;Liao,D.;Wang,L.;Yan,J.;Liu,W.;Lei,X.*;Wang,X.