化学生物学导论-雷晓光

1、雷晓光雷晓光 北京大学北京大学 化学学院化学学院 化学生物学系化学生物学系北大北大- -清华清华 生命科学联合研究中心生命科学联合研究中心北京生命科学研究所北京生命科学研究所化学生物学导论化学生物学导论 一一. 化学生物学概述化学生物学概述二二. 细胞死亡的化学生物学研究细胞死亡的化学生物学研究个人教育与工作经历个人教育与工作经历教育背景：教育背景：2001200120062006美国波士顿大学美国波士顿大学博士（有机化学与化学生物学）博士（有机化学与化学生物学）导师：导师：Prof. John Porco Prof. John Porco 1997199720012001北京大学北京大学学士

2、（化学）学士（化学）导师：王剑波导师：王剑波 教授教授工作经历：工作经历：20142014现在现在 北大北大- -清华生命中心清华生命中心 高级研究员高级研究员20142014现在现在 北京大学北京大学 化学学院化学学院 教授教授200820082014 2014 北京生命科学研究所北京生命科学研究所 研究员，高级研究员研究员，高级研究员200820082014 2014 天津大学天津大学 药学院药学院 副教授，教授副教授，教授2006200620082008美国哥伦比亚大学美国哥伦比亚大学博士后（生物有机化学）博士后（生物有机化学）合作导师：合作导师：Prof. Samuel Danishe

3、fskyProf. Samuel Danishefsky一一. 化学生物学概述化学生物学概述二二. 细胞死亡的化学生物学研究细胞死亡的化学生物学研究生命化学医学提供生命研究的化学技术提供生命研究的化学技术发展生命调控的化学方法发展生命调控的化学方法揭示生命运动的化学本质揭示生命运动的化学本质 化学生物学5Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 3.“In our view, chemical biology focuses on understanding biological systems at the molecular level and using these mecha

4、nistic insights to expand chemistry and biology in new directions”. Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 64.Stuart Schreiber “Chemical Biology provides the missing small-molecule piece of the central dogma. Chemical Biologists make both small and large “small molecules”, and they use them to illuminate the pri

5、nciples that underlie life.”6ChemBioChem 2009, 10, 16-29“Chemical biologyas the name suggests-employs the methods and techniques of chemistry for the study of biological phenomena.Herbert Waldmann: “Chemical biologyas the name suggests-employs the methods and techniques of chemistry for the study of

6、 biological phenomena.7J. Biol. Chem. 2010, 285, 11031-11032.“Chemical biology is a scientific discipline spanning the fields of chemistry and biology that involves the application of chemical techniques and tools, often compounds produced through synthetic chemistry, to the study and manipulation o

7、f biological systems.”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。8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9(1996)(1996) 化学生物学出现的标志化学生物学出现的标志- -专门研究机构专门研究机构10NO特殊生理活性发现特殊生理活性发现（ 1774年年, Joseph Priestly ）1994年创刊年创刊1997年创刊年创刊2001年创刊年创刊2008年创刊年创刊(Elsevier)(Springer) 化学生物学出

8、现的标志化学生物学出现的标志- -专门学术刊物专门学术刊物(cell)112004*年创刊年创刊2000年创刊年创刊2006年创刊年创刊(Wiley) 化学生物学出现的标志化学生物学出现的标志- -专门学术刊物专门学术刊物2005年创刊年创刊122006年创刊年创刊2004年创刊年创刊2005年创刊年创刊 化学生物学出现的标志化学生物学出现的标志- -专门学术刊物专门学术刊物(Royal Society)2005年创刊年创刊13什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14Stuart SchreiberCarolyn BertozziPeter Schultz利用外源物

9、质（小分子探针）研究生命体系利用外源物质（小分子探针）研究生命体系化学小分子化学小分子 蛋白质靶标蛋白质靶标为生命科学研究提供全新的方法和手段为生命科学研究提供全新的方法和手段1515M. Bucci, C. Goodman, T. L. Sheppard 化学生物学近代典型研究工作化学生物学近代典型研究工作“A decade of chemical biology” Nat. Chem. Biol. 2010, 6 (12), 847-854.16 化学生物学近代典型研究工作化学生物学近代典型研究工作201020112012201317NSF: National Science Founda

10、tion NIH: National Institute of Health DOE: Department of Energy 美国NIH Directors New Innovator Program重点资助的研究方向重点资助的研究方向1Behavioral and Social Science2Chemical Biology3Clinical and Translational Research 4Immunology 5Instrumentation and Engineering6Molecular and Cellular Biology7Neuroscience8High Th

11、roughput and Integrative Biology9Quantitative and Computational Biology18生物医学路线图计划生物医学路线图计划 (NIH Roadmap for Medical Research )NIH Roadmap资助的小分子筛选中心网络资助的小分子筛选中心网络 分子库和成像计划分子库和成像计划(Molecular Libraries and Imaging, MLI)19美国的化学生物学高水准研究单位：美国的化学生物学高水准研究单位：The Broad Institute (MIT, Harvard)YaleScripps Ins

12、tituteCornellUniversity of Wisconsin - MadisonColumbiaNIH (Intramural, MD)StanfordUniversity of PittsburghRockefellerUniversity of Texas SouthwestSalk InstituteUniversity of California San Francisco20 支持化学生物学研究的基金机构支持化学生物学研究的基金机构: EPSRC: Engineering and Physical Sciences Research Council (英国工程和自然科学研

13、究委员会)BBSRC: Biotechnology and Biological Sciences Research (英国生物技术与生物科学研究理事会)MRC: Medical Research Council (英国医学研究理事会) Royal Society (Fellowships) (英国皇家学会). Wellcome Trust, Cancer Research UK, EU funding, Leverhulme TrustDecember 03, 2013英国21英国伦敦皇家学院、肿瘤研究所等单位联合组建了化英国伦敦皇家学院、肿瘤研究所等单位联合组建了化学生物学（学生物学（ht

14、tp:/www.chemicalbiology.ac.uk）研）研究中心，从事生物膜的结构与功能研究。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（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（）参与这些研究的学生人数比例（B）EPSRC （2008）22德国合作研究中心（合作研究中心（CRC）目前获目前获DFG资助的多个资助的多个CRC中心都是在化学与生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。其主要的研究领域之一。德国科学基金会（德国科学基金会（DFG）23日本日本学术

15、振兴会（日本学术振兴会（JSPS）系系学科学科分支学科分支学科细目名细目名细目番号细目番号理工系化学基础化学物理化学4601有机化学4602无机化学4603复合化学分析化学4701合成化学4702高分子化学4703机能物质化学4704环境关联化学4705生物关联化学生物关联化学4706材料化学机能材料4801有机工业材料4802无机工业材料4803高分子材料480424什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252003年年 化学二处设立了化学生物学学科化学二处设立了化学生物学学科2005年年 生物有机与化学生物学学科代码生物有机与化学生物学学科代码 B02072013

16、年年 化学生物学学科代码化学生物学学科代码B0212268080年代初年代初 攀登计划攀登计划“生命过程中的化学问题生命过程中的化学问题”九五计划九五计划 化学与生命科学交叉的重大项目化学与生命科学交叉的重大项目5 5项项 十五计划十五计划 化学与生命科学交叉的重点项目化学与生命科学交叉的重点项目3232项项2003-20052003-2005 化学与生命科学交叉的重大国际合作化学与生命科学交叉的重大国际合作 (8 (8项项, 60-95, 60-95万万/ /项项) )2004-20062004-2006 健康领域的交叉面上项目健康领域的交叉面上项目 (2000(2000万万/ /年年) )

17、2007-20152007-2015 重大研究计划重大研究计划“基于化学小分子探针的基于化学小分子探针的 信号转导过程研究信号转导过程研究”（2000020000万）万）27北京大学北京大学清华大学清华大学中国科学院生物中国科学院生物物理研究所物理研究所武汉大学武汉大学华中师范大学华中师范大学中国科学院上海中国科学院上海有机化学研究所有机化学研究所中国科学院上海中国科学院上海药物化学研究所药物化学研究所四川大学四川大学中国科学院成都中国科学院成都生物化学研究所生物化学研究所28什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29B021201 分子探针分子探针B021202 生

18、物分子的化学合成与标记生物分子的化学合成与标记B021203 生物相容化学生物相容化学B021204 化学遗传学化学遗传学B021205 生物合成化学生物合成化学B021206 药物发现的化学生物学药物发现的化学生物学B021207 应用化学生物学应用化学生物学B021208 化学生物学新理论新方法与新技术化学生物学新理论新方法与新技术30 分子探针的分子探针的设计与合成 基于分子探针的基于分子探针的信号转导研究 基于分子探针的基于分子探针的药物靶标鉴定 基于分子探针的基于分子探针的组学技术 基于分子探针的基于分子探针的成像技术 基于分子探针的基于分子探针的测序技术 基于分子探针的其它生物学研

19、究基于分子探针的其它生物学研究31Chemical probeDrugMechanism of action/ phenotypeEfficacyTarget engagement/ on-target activityPK/PDOff-target activity/ selectivityPolypharmacology/ toxicityPotencyDoseNature Chemical BiologyNature Chemical Biology关于关于“化学探针化学探针”与与“药物药物”区别的总结区别的总结32 核酸及其衍生物的化学合成与标记；的化学合成与标记； 蛋白质和多肽的化学

20、合成与标记；的化学合成与标记； 糖和糖缀合物的化学合成与标记；的化学合成与标记； 其它其它重要生物学功能的生物小分子的发现、的生物小分子的发现、 化学合成、标记、修饰及应用化学合成、标记、修饰及应用33 生物相容生物相容（生物正交）（生物正交）反应的开发 （各种金属或非金属催化的、光激发的、以及（各种金属或非金属催化的、光激发的、以及自催化的生物相容反应）；自催化的生物相容反应）； 生物相容生物相容反应机理 （以提高反应活性或生物相容性为目的的反应（以提高反应活性或生物相容性为目的的反应机理和规律研究）机理和规律研究） 生物相容反应的生物相容反应的应用 （生物相容反应在生物体系及具体生物学问题

21、（生物相容反应在生物体系及具体生物学问题当中的应用）当中的应用）34 正向化学遗传学研究研究 （从细胞和表型寻找靶标）（从细胞和表型寻找靶标） 反向化学遗传学研究研究 （小分子与生物大分子的相互作用反推表型）（小分子与生物大分子的相互作用反推表型） 活性化合物库的活性化合物库的建立与优化； 基于小分子化合物库的基于小分子化合物库的生物学基础研究 基于小分子化合物库的基于小分子化合物库的药物靶标寻找和和先导化 合物开发35 受生物启发的化学受生物启发的化学反应的开发与机理研究 生物合成或生物半合成的生物合成或生物半合成的反应方法的建立 功能性分子的生物合成或生物半合成及功能性分子的生物合成或生物

22、半合成及应用 生物合成化学路径的生物合成化学路径的定向进化36 癌症癌症靶标及先导化合物 心血管疾病心血管疾病靶标及先导化合物 神经退行性疾病神经退行性疾病靶标及先导化合物 代谢、免疫疾病代谢、免疫疾病靶标及先导化合物 感染性疾病感染性疾病靶标及先导化合物37 生物标志物与疾病诊断的手段的发展的手段的发展 生命复杂体系的化学组装与人工模拟的化学组装与人工模拟 纳米技术与化学生物学融合与化学生物学融合38 生命科学新技术 （如新一代基因测序技术、超分辨成像、单分（如新一代基因测序技术、超分辨成像、单分 子研究，等等）子研究，等等） 新理论和计算方法 （如活性分子的设计理论，生物分子功能的（如活性

23、分子的设计理论，生物分子功能的 理论预测，生物网络的计算与模拟，生物体理论预测，生物网络的计算与模拟，生物体 系分子动态学研究）系分子动态学研究）39一一. 化学生物学概述化学生物学概述二二. 细胞死亡的化学生物学研究细胞死亡的化学生物学研究活性化学小活性化学小分子探针分子探针基础生命科基础生命科学研究学研究转化医学转化医学创新药物研究创新药物研究发现发现 制备制备评价评价研究背景：利用活性小分子探索化学与生物医学交叉研究背景：利用活性小分子探索化学与生物医学交叉研究策略研究策略细胞死亡的细胞死亡的小分子化学调控小分子化学调控高通量筛选高通量筛选化学遗传学化学遗传学活性天然产物活性天然产物导向

24、的化学导向的化学生物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, under reviewNat. Chem. Biol. 2013, 9, 84-89Cell 2012, 148, 213-227Cell Res. 2010, 20, 1289-1305Nat. Commun. 2015, 6, 6522Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1011-1015Nat. Commun. 2014, 5, 4614Angew. Chem. Int. Ed.

25、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研究背景：经典的细胞死亡途径（细胞凋亡和坏死）研究背景：经典的细胞死亡途径（细胞凋亡和坏死）43细胞凋亡细胞凋亡 (apoptosis)细胞坏死细胞坏死 (necrosis)细胞死亡的分子作用机制和调控方法细胞死亡的分子作用机制和调控方法科学

26、难点：调控基因致命性，信号转导通路复杂科学难点：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；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高效，可视，可控，定量化的化学方法亟待发展Hallmarks of CancersHanahan and Weinberg Cell 2011, 144, 646Amyotrophic lateral sclerosis (ALS)-肌萎缩侧索硬化症Extrinsic Pathways for Programmed Cell DeathOur aims: using sma

27、ll molecules to dissect and modulate cell death!necroptosisForward chemical-genetics includes screening exogenous ligands with a cell-based assay, selecting a ligand that shows a phenotype of interest, and identifying the protein target(s) of this ligand. Reverse chemical-genetics includes overexpre

28、ssing a protein of interest, screening for a chemical ligand for the protein, and using the ligand to determine the phenotypic consequences of altering the function of this protein in a cellular context.Chemical Genetics Using Small MoleculesAdvantages of Chemical Genetics Chemical genetic tools are

29、 more effective for studying essential genes or transient processes and in most part, feasible in the system most relevant to human health. Chemical genetic approach using small molecules is complementary to the classic genetic methods, because these small molecules act conditionally and rapidly, an

30、d can directly target the genes protein product. They can also hit on several proteins simultaneously, and can be used in a combination for multiple pathways in cultured human cells. In addition, if a study relates to human disease, a small molecule may also serve as a lead compound for drug develop

31、ment.Beckman FX, ORCA Optimized Robot, Microplate Carousel and Paradigm Detection PlatformDevelopment of a Robust Bioassay for High-throughput Screening (HTS)Taking advantage of the robustness of necrosis induced by the combina-tional treatment of TNF-a, Smac mimetic, and z-VAD-fmk, We screened a ch

32、emical library of 200,000 for compounds that block necrosis Cell-based assay for screening inhibitors of necrosis. HT-29 cell was pre-treated with DMSO or positive control necrostatin-1 (Nec-1) for 1 hour, followed by the treatment of DMSO alone or TNFa/Smac mimetic/z-VAD for additional 72 hours. Ce

33、ll viability was determined by measuring ATP level using cell-titer glo assay (Promega)NHNHNOSnecrostatin-1Yuan et al, Nat. Chem. Biol. 2008, 313Identification of Hit 14 from HTSSynthetic Plan for Structural Modifications of HitSubstitution at R1by methylis preferred, by propargyl,benzyl or hydrogen

34、 reducethe activity.Substitution at R2 by H is preferred , by Br or alkyl littlereduce the activity.Double bond is criticalfor the activityReplaced by pyrimidine little reduces the activity. 2-NO2 thiophene is indispensable, 3-NO2 thiophene reduces activity ，2-Br thiophene is inactive Furan ring red

35、uces activity,and increased toxicity, other nitro-substitutedaromatic ring also reduces activitySAR Studies of the Hit CompoundNecrosulfonamide (NSA) and Its Negative AnalogsThe Effects of Necrostatin-1 and Necrosulfonamide (NSA) on RIP3The Effect of Necrosulfonamide (NSA) on the RIP1/RIP3 Interacti

36、onIdentification of the Mixed Lineage Kinase Domain-like Protein (MLKL) as a Necrosome ComponentEvaluation of MLKL as a Valid Target for Necrosis 1. Is MLKL critical for necrotic pathway? 2. Is MLKL the cellular target for necrosulfonamide (NSA)?We plan to use NSA-based chemical probes to address th

37、is question!Insertion of a long, rigid polyproline helix between a small-molecule bait and a biotin tag boosts the capacity of affinity purification and thereby allows for the isolation of low-abundance or low-affinity proteins.J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 873-880Design of the Chemical ProbeSynthesi

38、s of the Key IntermediatesSynthesis of the Chemical ProbesIdentification of the Target Protein through Pull-down ExperimentIdentification of MLKL as the Cellular Target of Necrosulfonamide (NSA)Identification of Cys86 of MLKL as the Necrosulfonamide-binding Residue利用活性小分子发现全新的细胞坏死分子作用机制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.