原副标题：生物学家导出生物化学遗传基因辅助工具结构设计基本原理，将造就有效率的精神障碍化疗方式
“相比光生物学中快速产业发展的辅助widget，生物化学遗传基因辅助工具的产业发展则受到了非常多的限制。
我们此项组织工作剖析了 DREADD 控制系统的组织工作监督机制，为下一代生物化学遗传基因兴奋阴离子的合作开发提供更多了基础，也为结构设计其他 DREADD 控制系统提供更多了新途径。”
目前在美国密西根大学教堂山附属小学医科大学药物学系从事康坦县科学研究的张世成表示。
生物学家导出生物化学遗传基因辅助工具结构设计基本原理，将造就有效率的精神障碍化疗方式
前不久，由其担任第一作者的学术论文发表在 Nature 上。学术论文精细地阐述了 DREADD 控制系统（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs）的高特异性大分子监督机制，推动了人们对于结构设计 DREADD 控制系统的理解。其中所报道的结构信息，也将推动第三代生物化学遗传基因辅助工具的合作开发，并有望造就捷伊病症化疗方法。
责任编辑主要就科学研究的 DREADD 控制技术是生物化学生物学中的一种，它的全名是 Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs，K190结构设计改建的蛋白质仅能够被某一结构设计的药物所转化成。
生物化学生物学和光生物学，是用于宏观调控突触特异性的两种主要就控制技术方式。相对于光生物学，DREADD 生物化学生物学控制技术的明显缺点是，不需要某一的设备，静脉注射给药方可，对有机体没有侵入性也就是无须埋于缆线，同时还能忍受较长时间的刺激。
另一个明显的区别是，光生物学一般透过直接控制钠离子的控制器实现突触特异性的宏观调控，梅西县演示突触在病理条件下的振动振幅变动。
而 DREADD 控制技术则透过偷盗胞内的讯号通路，间接宏观调控膜上钠离子的特异性，从而达到控制器突触的操作变动，故其在一定程度上保持突触的共振振幅变动。
由此可以看出，DREADD 控制技术在化疗各类脊髓病症中具有重要的前景。此外，DREADD 控制系统是如前所述 G 蛋白质烯丙基蛋白质（G protein coupled receptor，GPCR）改建而成，而 GPCR 则能广泛激酶光、感官大分子、触觉大分子、雌激素、GABA、丝氨酸等胞外讯号向胞内传达的过程。
因而，利用 DREADD 控制系统可以特异性地转化成和补偿受损的宏观调控孔道，借此达到化疗相应病症的目的。
张世成表示：“我们也期待如前所述此次学术论文报道的结构功能信息，能让人们产业发展出具有更高特异性的、更高效的能用于临床的 DREADD 控制系统的兴奋阴离子。”
近日，相关学术论文以《生物化学遗传基因辅助工具 DREADD 特异性转化成的大分子监督机制》（Molecular basis for selective activation of DREADD-based chemogenetics）为题发表在Nature 上 [1]。
张世成和 Ryan H.Gumpper 是文章共同第一作者，美国马里兰大学医学院生物生物化学与大分子生物学系教授乔纳森·F·费伊（Jonathan F. Fay）、以及密西根大学教堂山附属小学医科大学药物学系教授布赖恩·L·罗斯（Bryan L. Roth）担任共同通讯作者。
“科学应当具有可预测性”
正是由于 DREADD 控制系统可以远程宏观调控突触的转化成和沉默，才让生物化学生物学得以在脊髓生物学领域广泛普及。
目前主要就使用的 hM3Dq 和 hM4Di 均是透过定向进化而来，但是对其选择激活的大分子监督机制，人们却一直都不清楚。
这在很大程度上限制了捷伊兴奋阴离子的产业发展。在以往的报道中，针对如前所述毒蕈碱型乙酰胆碱蛋白质的 DREADD 控制系统的兴奋阴离子，均为脊髓类药物氯氮平的类似物。
张世成表示，最初着手此次课题，也是考虑到各方面条件都已经成熟，特别是近些年单颗粒冷冻电镜控制技术的产业发展，让整个 GPCR 领域、尤其是转化成态蛋白质的复合物结构导出变得愈发容易。
本次科学研究中，结构导出的部分一直推进得很顺利。他说：“中间的插曲是，获得内源阴离子结合的野生型蛋白质复合物的结构、以及我们新发现的 QNB 结合 DREADD 蛋白质的复合物的导出进行得并不顺利，考虑到课题必须尽快推进，才暂时搁置了对于相关复合物的结构研究。”
在对其他结构进行分析之后，张世成对 DREADD 控制系统的组织工作基本原理进行总结和推测，并辅以一些实验进行交叉验证。
“值得一提的是，我的同事 Gumpper 博士所做的大分子动力学演示实验，不仅很好地解释了已有数据，也展示出一些很好的新想法。让我自己对大分子动力学演示实验的印象有了很大改观。”张世成说道。
而在拿到结构之后，张世成便开始分析 DREADD 蛋白质，能被结构设计化合物转化成的监督机制基本原理。联想到氯氮平是未改建的乙酰胆碱蛋白质的拮抗剂，但却可以高效转化成改建后的 DREADD 蛋白质。
于是，他将 DREADD 复合物、以及结合了拮抗剂的非转化成态乙酰胆碱的蛋白质进行比对，结果发现很有可能是 DREADD 其中的一个突变位点 Y3x33 与小大分子化合物之间产生了空间位阻，迫使小大分子的结构出现弯曲，进而改变了另一侧跨膜螺旋的结构，最终将蛋白质锁定在非转化成态。
而在 DREADD 蛋白质中，大侧链氨基酸则被突变成一个小侧链氨基酸，借此消弭了原有的空间位阻，这让兴奋阴离子能以舒展的方式，结合在正构位点当中，进而能像内源阴离子转化成原生蛋白质一样去转化成 DREADD 蛋白质。关于这个想法，很快也在实验中得以验证。
说到这里张世成表示：“上学时物理老师在介绍万有引力定律时说，‘正确的理论不仅可以解释已经发生的现象，也可以预测一些没有发生的现象。’其实就是我们常说的科学应当具有可预测性。”
而在 DREADD 这个课题上，他想如果原生蛋白质的拮抗剂氯氮平可以转化成 DREADD 蛋白质，那么其他大小类似的拮抗剂，是否也可以转化成 DREADD 蛋白质？
于是，他将目标锁定在已经获得结构导出的 QNB 和 Tiotropium 上。对比发现，二者在结合口袋中的构象和将氯氮平对接在结合口袋中的构象高度相似。
接着，在实验中他发现，QNB 和 Tiotropium 确实可以部分地转化成 hM4Di，甚至在经典的 cAMP 累积实验中，其转化成效应和去氯氯氮大致相当。
但是，这两个大分子却不能转化成 hM3Dq。于是，张世成又进一步比较了 hM3Dq 和 hM4Di 在转化成状态下的区别，发现相对于 hM4Di，hM3Dq 在转化成过程中发生了更大的构象变化，提示了其转化成的能量壁垒可能更高。
上述结果不仅支持了张世成对于 DREADD 转化成监督机制的分析，也让他发现了包含 QNB 在内的，具有 DREADD 亚型选择潜力的兴奋阴离子大分子。
他表示：“对于结构生物学的科学研究来说，这也是发现新现象和新监督机制的一个经典案例。”
将继续拓展生物化学遗传基因辅助工具 DREADD
据介绍，张世成所在团队的整体目标是产业发展和优化 DREADD 控制技术体系，拓展它的应用场景，努力让其在临床化疗中发挥作用。
因此，探索 DREADD 的结构设计基本原理仅是整个大课题的第一步。后续组织工作大致包括以下几个方面：
首先是利用已知的结构信息，研发出特异性更加优越的第三代兴奋阴离子，进一步减少其与人体内其他内源表达的蛋白质的亲和力，借此降低临床应用中潜在的副作用。
其次是产业发展具有亚型特异性的兴奋阴离子。目前，该团队使用最多的 DREADD 控制系统，依旧是如前所述烟碱型乙酰胆碱蛋白质改建的工程蛋白质，即学术论文中的 hM3Dq 和 hM4Di。
当下，学界合作开发的兴奋阴离子几乎都是氯氮平的类似物，它对于 hM3Dq 和 hM4Di 这两种 DREADD 蛋白质，都具有较高的亲和力。
而透过分析两者在结合口袋上的不同，张世成和同事计划结构设计可以特异性转化成 hM3Dq 或 hM4Di 的兴奋阴离子，以让两者同时在体内使用。
他举例说：“我们在转化成部分突触的同时，还可以抑制另一部分突触。此次学术论文中，我们发现的小大分子 QNB 和 Tiotropium，就是一个很好的先导化合物，它们可以特异性地转化成 hM4Di。”
另据悉，课题组前期合作开发的如前所述鸦片蛋白质的 KORD，也可以转化成 Gi 讯号孔道，从而抑制突触的特异性，故其在一定程度上实现与 hM3Dq 的联用。
同时，产业发展 DREADD 控制系统的特异性拮抗阴离子也具有重要意义。当不需要某个 DREADD 蛋白质转化成时，可以将其锁定在非转化成的状态。
“最后，我们还可以进一步探索 DREADD 蛋白质的下游讯号孔道，透过分离的方式，产业发展出来可以激酶某一讯号孔道的 DREADD 控制系统，从而对讯号孔道和行为表型进行更精准的操作。”
而当生物化学遗传基因操作辅助widget足够丰富和有效率时，甚至可以借助 DREADD 辅助工具控制系统给药的特点，在宏观调控部分突触特异性的同时，宏观调控体内某些器官组织的讯号孔道变动。
另据悉，张世成目前所在的科学研究组，是一个以发现药物、产业发展捷伊化疗方法为中心，同时在科学研究方向和方式上十分多样化的实验室。
在药物发现方面，该团队既能透过自建平台开展大规模的实体药物筛选，也能透过外部合作进行如前所述结构的虚拟筛选。
课题组也同样热衷于合作开发科研辅助工具，比如张世成目前正在拓展科学研究的 DREADD 控制技术、能被用于分析 GPCR 下游讯号孔道的 TruPath 辅助工具、以及能够高效发现化合物的脱靶蛋白质 GPCRome 的筛选平台，都已得到学界的广泛使用。
他继续说：“我们不仅针对经典蛋白质进行深入的药理科学研究，也在大量地科学研究孤儿蛋白质的阴离子。
特别指出的是，我的导师 Bryan 还是美国国立卫生科学研究院的 IDG（Illuminating the Druggable Genome）项目中 GPCR 部分的共同负责人，该项目旨在发掘基因组中的可成药靶点。”
2022 年 7 月，张世成发表在 Nature Structural & Molecular Biology 上的学术论文，介绍了血清素 5A 亚型蛋白质的结构功能分析、以及特异性阴离子合作开发的成果，而这正是 IDG 计划的一部分。
“同时，Bryan 还运行着美国国家心理健康科学研究所的精神类药物筛选平台，负责测选药品对于大脑中高表达蛋白质蛋白质的亲和力，这为我们在分析药物的脱靶效应和多重药物学方面提供更多了强大的支持。”张世成说。
事实上，北卡的生医科学研究一直很出色。他表示：“根据我的观察，与国内多数医科大学的不同的是，美国的医科大学不仅有很好的临床科学研究，也设有许多关于基础生命科学的科学研究部门。”
以他所在药理系为例，该系是一个“庞杂”的科学研究单元，包括 30 多个课题组，涉及癌症、脊髓生物学、基因化疗、药物成瘾、药物发现等多个方向，却又都能回归到探索药物与人体作用关系的核心问题上。
他继续说：“无论是在学术论文发表还是资金支持上，无论在全美亦或在全球，北卡药理系的排名都非常靠前。
此外，药理系楼下的生物生物化学与生物物理系（即 2015 年诺贝尔生物化学奖的获得者 Aziz Sancar 教授所在的系）和楼上的遗传基因系，都在做非常基础的科学研究组织工作，也就是国内常说的‘发文章’的组织工作。”
这样的医科大学可以大量囊括基础生命科学的科学研究，也容易造就临床新控制技术的发现和产业发展。
“不过我也注意到，国内很多大学也开始进行大生命医药学部的建设，同时一些医科大学也开始实行多学科建设，相信我们很快也会出现一批具有顶尖水平的生物医学科学研究单位。”
目前，张世成正在积极寻找国内教职。他说：“我主要就有生物生物化学与大分子生物学、结构生物学、大分子药物学和脊髓药物学的科学研究背景，长期从事以结构为导向的药物发现和蛋白质改建科学研究。”
未来他的主要就组织工作方向是拓展生物化学遗传基因辅助工具 DREADD 的辅助widget，多角度地探索 GPCR 的病理讯号转导监督机制，以及面向重要脊髓病症的靶点寻找先导化合物。
他继续说道：“我心目中的理想平台，希望可以提供更多包括结构生物学、药物筛选发现平台等方面的支持。”
参考资料：
1.Zhang, S., Gumpper, R.H., Huang, XP. et al. Molecular basis for selective activation of DREADD-based chemogenetics. Nature 612, 354–362 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05489-0
