一個小分子化合物如何能治病？(科普)

蛋白質的結構與功能的關係

要回答這個問題，先得從基本的蛋白質結構講起。生物的進化，選擇了DNA分子作為遺傳的載體，而細胞裏真正運轉的機器是蛋白質（近年的研究表明小分子的RNA也有這種功能，不在這裏討論）。所以，了解蛋白質的結構是生物研究的重要一環。

蛋白質是20種氨基酸的聚合物。這20種氨基酸的共同點是大家都有一個胺基，一個羧基。一個氨基酸的胺基和另一個氨基酸的羧基連在一起，就象孩子拿一根繩子把20種不同顏色的珠子串一起一樣。這串珠子可小可大。小的叫多肽，大的叫蛋白質。兩者之間沒有一個嚴格的數量區分標準。如果以一個500個氨基酸組成的蛋白質來計算氨基酸可能的排列組合，你知道那有20的500次方的可能性。這也是決定不同氨基酸排列組合而形成的蛋白質可以有不同的功能的基礎。一個特定蛋白質的氨基酸順序在生物化學上稱為蛋白質的一級結構。

20種氨基酸的不同在於它們的支鏈。支鏈有大小的不同，有極性的不同。這種不同就導致了在不同的蛋白質分子裏可以形成不同的“結構小區”（可以用“物以類聚”來解釋，在蛋白質分子裏可以理解為顏色相近的珠子/氨基酸結合在一起。），生物化學上叫二級結構。二級結構的形成主要是靠氨基酸的這些物理化學性質（粗分）：1。隻有碳氫的支鏈往往是非極性的，也就是和水不相溶。在水中，它們傾向在蛋白質分子內部抱團；但在細胞膜一類的脂肪裏，它們就反過來，外露和脂肪接觸。2。極性的支鏈往往是和水親合，在水中，會分布在蛋白質分子表麵。極性非極性是一個相對的概念，介於兩者之間的不少。一般來講，極性的正負離子之間的吸引力最大，但不多；氫鍵的作用是最普遍的。二級結構可以千變萬化，但一級結果往往決定了分子的二級結構。

蛋白質的三級結果就是這些“結構小區”的空間位置。它也是上麵的這些極性非極性的作用力及分子周圍的環境決定的。周圍環境除了可能是水或細胞膜的脂肪，還有可能是別的蛋白質，或DNA/RNA。有些蛋白質還需要別的金屬離子來維持這種結構，常見的有鋅和鐵。這就是為什麽人需要微量元素的原因。而所謂的四極結構就是指幾個不同的蛋白質分子結合在一起，形成一個功能集團時的相對空間結構。

蛋白質的空間結構的形成也往往需要別的蛋白質的幫助。蛋白質合成的過程是氨基酸一個一個加上去的，在這個合成過程中，蛋白質這串珠子就開始折疊，形成特有的二級結構。蛋白質合成完成後，折疊出現意外的蛋白質分子會被降解。而合乎標準的蛋白質分子還會被修飾，加上不同的化學基團。常見的有磷酸基修飾，酰基（acetylation)修飾和甲基修飾。而需要降解的蛋白質也會被修飾標記後，進入降解機器處理。這些修飾都是通過改變蛋白質的三級四級結構而影響它的功能。

 

小分子調節蛋白質的功能

既然蛋白質的結構決定了它的功能，那是不是可以通過在這些“功能小區”之間的縫隙裏插入小分子而改變它的結構，進而影響它的功能呢？自然界本身就給出了答案：可以。

先看看自然界的傑作吧：雄性和雌性激素就是分子量才幾百（單位是道爾頓）的小分子。它們如何影響性別的發育呢？在人體特定的組織裏，細胞有對應的蛋白質，分別叫雄激素受體/雌激素受體。這些激素受體在沒有和激素結合的時候，它們是和別的蛋白質結合在一起，形成一種沒有功能的結構狀態。一但和激素結合，這些受體的結構就發生變化，擺脫原來的結合蛋白，行使它們的職責。這些激素受體裏，在形成三級結構的時候，就預留了相應激素結合的空間。你可以想象的是這個激素受體就是一幢大房子，在門上有一個鑰匙孔。隻有對應的鑰匙(激素)插進去，這個房子才能讓人進去，起到它作為居所的功能。雄性和雌性激素分子化學結構雖然很相似，也能交換去與對方的受體結合，但這些鑰匙上的一個微小差別，就導致了受體結構的差別，所以，雄激素和雌性激素受體結合的產物在功能上遠遠不如雌激素和雌性激素受體結合的產物。

象這樣的小分子激素調節大分子受體的功能的情形在生物體內比比皆是。神經信號的傳遞就要用到這個方式，維生素D，可地鬆，鈣離子等等都能與特定的蛋白質結合而調節這些蛋白質的功能。激素也可是是大一些的分子，象多肽或其他蛋白質：生長激素和胰島素就是比較典型的例子。

 

小分子化合物作藥物的設想和現實

從上麵的雄/雌激素的作用原理馬上就能想到：是不是可以用一個小分子把那個激素受體上的“鑰匙孔”堵住，這樣激素受體就不能正常起作用了？沒錯！目前在乳腺癌治療上使用的tamoxifen就是這樣的工作原理。它占住那個位置，讓雌激素結合不進去。乳腺癌病人裏，約三分之二的病人的癌細胞生長要靠雌激素受體的功能，這些病人的絕大多數在手術切除後，再通過這種藥物治療的五年生存率很高，20年的也不少。這是小分子化合物作藥物的經典。

上麵提到了人體裏麵的蛋白質成千上萬，而每個不同蛋白質分子裏的“功能小區”之間的縫隙是不是有相似性的可能？是。這就是副作用的來源和機理之一。一個藥物的篩選，你要先找到一個篩選的係統。象上麵這個雄/雌激素的篩選係統就是通過它們的功能來檢測的。功能可以用癌細胞生長，也可以用它們控製的基因，還可以是細胞外的化學物理反應。所以，理論的生物研究就是要搞清雄/雌激素的作用原理，然後找出阻斷它們的功能的位置，再設計篩選係統。

看一下雌激素的研究進展：激素本身被分離出來是幾十年前的事。但分子生物學的研究是在80年代把它的基因克隆出來。它主要功能的作業流水線是這樣的：激素和受體結合；這個激素受體複合物從別的蛋白質分子上分開，從細胞質進入細胞核；在細胞核裏和它調控的基因DNA結合；吸引基因表達的其他蛋白質；啟動基因的表達。這條流水線裏，你能看到哪些可能的阻斷點來修建一條大壩呢？前麵幾十年的藥物研究都在第一步，想堵住那個激素結合的鑰匙孔或者阻止身體裏雌激素的合成。近年來，把激素受體這個複合物和DNA結合的這一步作為修建大壩的地點的思維開始出現，而相應的篩選係統也隨著科技的發展而成為現實。第一代阻止激素受體複合物與DNA結合的小分子化合物已經篩選出來。要做成一個藥物還有很遠的路，但理論研究帶來的希望是明確的。

對付副作用的第一個機理的思維就是篩選/設計出更加特異的小分子。這些“功能小區”之間的縫隙的微小差異要能搞清楚，不是沒有可能。但這個任務的艱難性可想而知。這是大分子結構研究是生物研究的一個熱門領域的原因之一。現在還隻能在試的階段，通過篩選係統找出許多小分子，然後一個一個試，看那個副作用小，權衡利弊再決定是不是可以作為藥物。美國的FDA對藥物有嚴格的規定，但對致命疾病（象對付擴散的腫瘤）的藥物的要求就鬆一些。這也是利弊的權衡。

要提到的是這些篩選出來的藥物往往是能阻止蛋白質在癌細胞裏的功能，同時也阻止了它在正常細胞裏的功能（或反過來的情形），這是副作用的第二個來源和原因。有名的例子是曾經廣泛使用的HormoneReplacementTherapy。許多中老年婦女在絕經後因體內雌激素合成能力下降而出現不適和骨質疏鬆，而通過直接補給雌激素的方法能有效的解除病症。但多年後隨著對乳腺癌研究的深入，發現這種治療方法能促進乳腺癌的發病率。（這和腫瘤生成的一個假說有關：人體裏每天都有正常細胞因基因突變變成癌細胞。但一個癌細胞能不能變成多細胞的腫瘤，處決於許多因素，包括新血管生成來提供營養，逃避免疫係統的檢測等等。雌激素能促進一個亞型的乳腺癌細胞的生長，所以，使用雌激素提高了乳腺癌的發病率就不奇怪了）。這個說法在後來因停止使用HormoneReplacement Therapy而導致乳腺癌的發病率下降的結果是吻合的。研製的新一點替代藥物已經開始使用，Raloxifene就能對防止骨質疏鬆起到很好的作用，同時沒有直接使用雌激素的副作用。

 

展望未來--藥物設計

既然蛋白質的一級結構在很大程度上決定了它的二級三級甚至四級結構，那能不能通過一級結構直接預測二級三級甚至四級結構呢？要能預測，不就可以直接配一把鑰匙了？這目前還是大難題。但數據的累積是打基礎的。所以，蛋白質的立體結構分析和一級結構的關係是研究的熱門之一。生物進化導致的生物多樣性為這個提供了不少便利--許多在不同生物體內起相似作用的蛋白質會有一些一級結構的不同（氨基酸的變化）。比較這些結構的變化就能提供有用的信息。隨著計算機的普遍使用，這些人腦不能處理的信息讓計算機來處理會大有前途。象雌激素受體的激素結合區間（就是上麵提到的那個鑰匙孔周圍）的立體結構的空間模型已經在微米級別建立起來，不少實驗室就通過計算機模擬來設計可能堵住這個鑰匙孔的藥物，而不必盲目的從幾十萬compoundlibrary裏篩選。毫無疑問，要到真正應用還有長遠的路走，但已經開始起步。

對於這個鑰匙孔，早期的思維是簡單地堵住它，讓蛋白質失去功能。十年前提出的“雌激素受體選擇性調節物”（SelectiveEstrogen ReceptorModulators）概念，就是希望這樣的堵不是簡單地不讓雌激素受體行使它的功能，而是希望保留一些有用的功能。tamoxifen和raloxifene的差別說明了這個可能性。raloxifene之所以能防止骨質疏鬆就是雌激素受體在骨細胞裏的功能還能保留。這種保留在分子水平上的解釋有，但要設計下一個類似的化合物還沒有可能。現在還在“碰運氣”的階段。要說的是這個“占住鑰匙孔”的理念和實踐所積累的數據在推動分子結構的研究，計算機模擬和藥物設計的研究上功不可沒。這個理念還會繼續下去，因為這些鑰匙孔的結構相對了解多一些，而合成的許多用來堵住它的化合物的的功能也有不少研究。這個領域在計算機模擬上還是前沿的。

這些天然的鑰匙孔自然而然地成了藥物研究的第一批目標。但蛋白質分子上二級三級結構形成的其他鑰匙孔能不能作為藥物的目標呢？理論上講，既然任何插入蛋白質二級三級結構形成的縫隙的小分子都可能影響蛋白質的三級結構，進而影響它的功能，為什麽不能瞄準這些部位呢？關鍵是拿什麽作為檢測指標。這就是篩選係統的重要了。

蛋白質分子的功能涉及大分子之間的結合。蛋白質和蛋白質，蛋白質和DNA/RNA等。這些結合界麵實際上也是廣義的鑰匙孔。在知道這些界麵的結構基礎上設計的多肽來占住這個鑰匙孔，讓真正的蛋白質分子不能結合上去，是占住鑰匙孔的新設想，比前麵的小分子的鑰匙孔是一大半進步。已經有用中等大小的聚合物來占住這個界麵的研究。這些研究是通過檢測蛋白質的功能來測試這些設計的多肽或聚合物是不是有用。從這些理論研究到一個藥物會有很長的路，但提供的數據是以後新的設計和研究的基礎。

沒有理論研究，是不可能設計出特異（specific)的篩選係統的。從腫瘤藥物的篩選看，最初的篩選就是找能殺死分裂快的細胞的化合物。這個篩選可以拿正常細胞作對比。等有了目標，再作動物人體試驗，不合適，再修改化合物的結構，希望減少副作用。細胞分裂涉及的蛋白質太多，往往哪個蛋白質是目標就費很大勁才能找出來。如果我記得不錯的話，化療用的紫杉醇就是這樣找出來的。但理論研究的深入，對不同蛋白質的功能的深入了解，就可以發展出比較特異的篩選方法。象雌激素受體能結合特定的DNA片段，從而調控下遊基因的表達。那就把這個DNA片段拿出來，後麵的基因用一個方便檢測的reporter基因。這樣的篩選就比上麵進化了一步。

 

但一個基因的表達涉及的蛋白質還是太多，目前在研究和試驗階段的篩選方法可以隻要幾個蛋白質或DNA/RNA分子，並能在試管裏進行。如雌激素受體要和DNA結合才能行使它的功能，我們就直接在一個試管裏放入這段DNA和雌激素受體，檢測它們結合的情況。然後可以加一個一個的化合物進去，看那個化合物具有拆開這種結合的功能。當然這樣篩選出來化合物還得回到細胞，動物，人體裏測試，但這樣的篩選係統就使得瞄準非天然鑰匙孔的化合物的篩選變得容易起來。目前有很多篩選係統在研究階段--旋光方法是用熒光標記相對小一些的DNA分子，在溶液裏它不與蛋白質結合的話，旋轉就比較快；當大分子雌激素受體結合上去後就旋轉慢了。另一個篩選係統是FluorescentResonance EnergyTransfer（FRET），它利用兩個分子結合後距離拉近,能量能在兩者之間傳遞來檢測兩個分子是不是結合在一起。本人用第一種方法篩選出了能阻止雌激素受體和DNA結合的化合物，並證明了這種細胞外篩選出來的化合物能在細胞內起作用（也被別人證實），阻止雌激素受體調控的基因在細胞內的表達和癌細胞的生長。同時，我們的數據也顯示這個化合物不能堵住雌激素和雌激素受體的結合，表明這個化合物可能瞄準的是雌激素的那個天然鑰匙孔之外的地方。該項研究在2008年被美國內分泌協會年會挑選出來作為十二項研究成果之一進行新聞發布會（pressrelease)，文章還被“Faculty of 1000”機構挑選。

篩選係統的建立有賴於對生物細胞體內分子機製的理解。這是理論研究的價值所在。前幾十年的理論研究為後麵的藥物篩選打下了良好的基礎。過去幾年，美國政府支持的藥物篩選中心就建起了好幾家，而以大學/研究所自己資助的形式建立的小型篩選中心就更多了。理論研究打下的基礎不僅僅是為小分子篩選，在診斷上，在其他形式的藥物設計上都起了巨大的促進作用。

 

篩選還是碰運氣的階段。但累計的數據，找到的目標都是今後進一步發展藥物的基礎。美國的生物基礎研究打下的這個基礎其實是造福全人類的。前幾天嶽父母來電話，說我以前畢業的研究單位的一個課題組在賣一個新藥，一個親戚在使用，很貴，問我有沒有用。可想而知，在知識傳播如此之快的今天，美國的研究能不讓研究落後一些的國家受益麽？當然，美國的生物基礎研究得益於許多中國來的“苦力”博士和博士後們，這也是一種回報吧。

（二0一一年九月十八日）

[A-mao]

回複hwcjksdad的評論:
Thanks!

It takes a lot of time to write these type of articles: read reviews in the field, look for most recent articles in the field... I am considering writing more after retirement. :).

[hwcjksdad]

Good article. Concept well explained. Please write more.