基因工程技術的現(xiàn)狀和前景發(fā)展

基因工程技術的現(xiàn)狀和前景發(fā)展

摘要

從20世紀70年代初發(fā)展起來的基因工程技術，經(jīng)過30多年來的進步與發(fā)展，已成為生物技術的核心內容。許多科學家預言，生物學將成為21世紀最重要的學科，基因工程及相關領域的產業(yè)將成為21世紀的主導產業(yè)之一?；蚬こ萄芯亢蛻梅秶婕稗r業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、能源、環(huán)保等許多領域。

基因工程應用于植物方面

農業(yè)領域是目前轉基因技術應用最為廣泛的領域之一。農作物生物技術的目的是提高作物產量，改善品質，增強作物抗逆性、抗病蟲害的能力?；蚬こ淘谶@些領域已取得了令人矚目的成就。由于植物病毒分子生物學的發(fā)展，植物抗病基因工程也也已全面展開。自從發(fā)現(xiàn)煙草花葉病毒(TMV)的外殼蛋白基因導入煙草中，在轉基因植株上明顯延遲發(fā)病時間或減輕病害的癥狀，通過導入植物病毒外殼蛋白來提高植物抗病毒的能力，已用多種植物病毒進行了試驗。

在利用基因工程手段增強植物對細菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大進展。植物對逆境的抗性一直是植物生物學家關心的問題。由于植物生理學家、遺傳學家和分子生物學家協(xié)同作戰(zhàn)，耐澇、耐鹽堿、耐旱和耐冷的轉基因作物新品種(系)也已獲得成功。植物的抗寒性對其生長發(fā)育尤為重要?？茖W家發(fā)現(xiàn)極地的魚體內有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增長，從而免受低溫的凍害并正常地生活在寒冷的極地中。將這種抗凍蛋白基因從魚基因組中分離出來，導入植物體可獲得轉基因植物，目前這種基因已被轉入番茄和黃瓜中。

隨著生活水平的提高，人們越來越關注口味、口感、營養(yǎng)成分、欣賞價值等品質性狀。實踐證明，利用基因工程可以有效地改善植物的品質，而且越來越多的基因工程植物進入了商品化生產領域，近幾年利用基因工程改良作物品質也取得了不少進展，如美國國際植物研究所的科學家們從大豆中獲取蛋白質合成基因，成功地導入到馬鈴薯中，培育出高蛋白馬鈴薯品種，其蛋白質含量接近大豆，**提高了營養(yǎng)價值，得到了農場主及消費者的普遍歡迎。在花色、花香、花姿等性狀的改良上也作了大量的研究。

基因工程應用于醫(yī)藥方面

目前，以基因工程藥物為主導的基因工程應用產業(yè)已成為全球發(fā)展最快的產業(yè)之一，發(fā)展前景非常廣闊?；蚬こ趟幬镏饕毎蜃印⒖贵w、疫苗、激素和寡核甘酸藥物等。它們對預防人類的腫瘤、心血管疾病、遺傳病、糖尿病、包括艾滋病在內的各種傳染病、類風濕疾病等有重要作用。在很多領域特別是疑難病癥上，基因工程工程藥物起到了傳統(tǒng)化學藥物難以達到的作用。我們最為熟悉的干擾素(IFN)就是一類利用基因工程技術研制成的多功能細胞因子，在臨床上已用于治療白血病、乙肝、丙肝、多發(fā)性硬化癥和類風濕關節(jié)炎等多種疾病。

目前，應用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中試，并進入臨床驗證階段；專門用于治療腫瘤的“腫瘤基因導彈”也將在不久完成研制，它可有目的地尋找并殺死腫瘤，將使癌癥的治愈成為可能。由中國、美國、德國三國科學家及中外六家研究機構參與研制的專門用于治療乙肝、慢遷肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的體細胞基因生物注射劑，最終解決了從剪切、分離到吞食肝細胞內肝炎病毒，修復、促進肝細胞再生的全過程。經(jīng)4年臨床試驗已在全國面向肝炎患者。此項基因學研究成果在國際治肝領域中，是繼干擾素等藥物之后的一項具有革命性轉變的重大醫(yī)學成果。

基因工程應用于環(huán)保方面

工業(yè)發(fā)展以及其它人為因素造成的環(huán)境污染已遠遠超出了自然界微生物的凈化能力，已成為人們十分關注的問題。基因工程技術可提高微生物凈化環(huán)境的能力。美國利用DNA重組技術把降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴、脂肪烴的4種菌體基因鏈接，轉移到某一菌體中構建出可同時降解4種有機物的“超級細菌”，用之清除石油污染，在數(shù)小時內可將水上浮油中的2/3烴類降解完，而天然菌株需1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢桿菌、且表達成功。它能釘死蚊蟲與害蟲，而對人畜無害，不污染環(huán)境?，F(xiàn)已開發(fā)出的基因工程菌有凈化農藥的DDT的細菌、降解水中的染料、環(huán)境中有機氯苯類和氯酚類、多氯聯(lián)苯的工程菌、降解土壤中的TNT炸藥的工程菌及用于吸附無機有毒化合物(鉛、汞、鎘等)的基因工程菌及植物等。

90年代后期問世的DNA改組技術可以創(chuàng)新基因，并賦予表達產物以新的功能，創(chuàng)造出全新的微生物，如可將降解某一污染物的不同細菌的基因通過PCR技術全部克隆出來，再利用基因重組技術在體外加工重組，最后導入合適的載體，就有可能產生一種或幾種具有非凡降解能力的超級菌株，從而**地提高降解效率。四、前景展望由于基因工程運用DNA分子重組技術，能夠按照人們預先的設計創(chuàng)造出許多新的遺傳結合體，具有新奇遺傳性狀的新型產物，增強了人們改造動植物的主觀能動性、預見性。而且在人類疾病的診斷、治療等方面具有革命性的推動作用，對人口素質、環(huán)境保護等作出具大貢獻。所以，各國政府及一些大公司都十分重視基因工程技術的研究與開發(fā)應用，搶奪這一高科技制高點。其應用前景十分廣闊。我國基因工程技術尚落后于發(fā)達國家，更應當加速發(fā)展，切不可坐失良機。

但是，任何科學技術都是一把“雙刃劍”，在給人類帶來利益的同時，也會給人類帶來一定的災難。比如基因藥物，它不僅能根治遺傳性疾病、惡性腫瘤、心腦血管疾病等，甚至人的智力、體魄、性格、外表等亦可隨意加以改造；還有，克隆技術如果不加限制，任其自由發(fā)展，最終有可能導致人類的毀滅。還有，盡管目前的轉基因動植物還未發(fā)現(xiàn)對人類有什么危害，但不等于說轉基因動植物就是十分安全的，畢竟這些東西還是新生事物，需要實踐慢慢地檢驗。轉基因生物和常規(guī)繁殖生長的品種一樣，是在原有品種的基礎上對其部分性狀進行修飾或增加新性狀，或消除原來的不利性狀，但常規(guī)育種是通過自然選擇，而且是近緣雜交，適者生存下來，不適者被淘汰掉。而轉基因生物遠遠超出了近緣的范圍，人們對可能出現(xiàn)的新組合、新性狀會不會影響人類健康和環(huán)境，還缺乏知識和經(jīng)驗，按目前的科學水平還不能完全精確地預測。所以，我們要在抓住機遇，大力發(fā)展基因工程技術的同時，需要嚴格管理，充分重視轉基因生物的安全性。近兩年來我國化學生物學領域的突出進展時間：2015-04-17來源：學術堂所屬分類：

應用化學論文1.3重要靶標、抑制劑和標記物的發(fā)現(xiàn)

陳國強等在前期發(fā)現(xiàn)從腺花香茶菜中提取的腺花素(Adenanthin)能夠誘導白血病細胞分化的基礎上，成功地捕獲了它在細胞內的靶蛋白———過氧化還原酶(peroxiredoxin)I/II，并依此闡釋了白血病細胞分化的新機理［7］。通過對腺花素進行分子改造，并在明確其活性基團后，合成生物素標記的腺花素分子，他們借助蛋白質組學和生物信息學技術平臺的支持，以生物素標記的腺花素為“誘餌”，利用蛋白質組學和生物信息學技術，在白血病細胞中“垂釣”腺花素可能結合的蛋白質，結果發(fā)現(xiàn)，腺花素能夠與過氧化還原酶PrxI和PrxII共價結合，該工作對白血病的病理研究及治療都將起到極大的推動作用。吳喬、林天偉、黃培強等發(fā)現(xiàn)了名為TMPA的化合物，能夠通過與吳喬等前期發(fā)現(xiàn)的與糖代謝調控密切相關的新靶點—Nur77的基因轉錄調控因子的結合，使原先結合Nur77的LKB1得到分子釋放。后者能夠從細胞核轉運到胞漿，并激活直接參與糖代謝調控的重要蛋白激酶AMPK，達到降低血糖目的。此外，他們還通過晶體結構解析了Nur77-TMPA的復合物晶體，從原子水平上進一步解釋了TMPA結合Nur77的構象和精確位點，為今后設計和研發(fā)新型的糖尿病藥物提供了必不可少的結構基礎［8］。該工作所發(fā)現(xiàn)的化合物TMPA或可成為一種新型糖尿病治療藥物的“雛形”，為未來新型糖尿病治療藥物的研發(fā)提供一個全新方向和路徑。楊財廣等［9］進行了基于mＲNA中N6位甲基化修飾的腺嘌呤(N6-methyladenosine，m6A)去甲基化酶FTO結構開展小分子調控的研究，首次獲得了對核酸去甲基化酶FTO具有酶活和細胞活性的小分子抑制劑。張翱、鎮(zhèn)學初等［10］針對帕金森氏病治療過程中出現(xiàn)的異動癥進行作用機制研究，闡明了5-羥色胺1A受體和FosB基因與異動癥的關系，進而發(fā)現(xiàn)了同時靶向多巴胺D2和5-羥色胺1A受體的新型抗帕金森活性化合物。1.4天然產物分子的生物及化學合成譚仁祥等通過研究發(fā)現(xiàn)了螳螂腸道真菌(Daldiniaeschscholzii)產生的結構全新的Dalesconol類免疫抑制物及其獨特的“異構體冗余現(xiàn)象”。在此基礎上，發(fā)現(xiàn)Dalesconol類免疫抑制物是由不同的萘酚通過酚氧游離基耦合產生的，同時發(fā)現(xiàn)其“異構體冗余現(xiàn)象”很可能源于真菌漆酶引致的關鍵中間體優(yōu)勢構象［11］。該成果不僅為此類免疫抑制物來源問題的解決奠定了重要基礎，而且為酚類合成生物學研究提供了新的思路和概念。萘啶霉素(NDM)、奎諾卡星(QNC)及Ecteinascidin743(ET-743)均屬于四氫異喹啉生物堿家族化合物，它們都具有顯著的抗腫瘤活性，其中ET-743已發(fā)展為第1例海洋天然產物來源的抗腫瘤新藥。這3種化合物都具有一個獨特的二碳單元結構，其生物合成來源問題一直沒有得到解決。唐功利等［12］在克隆了NDM和QNC生物合成基因簇的基礎上，通過前體喂養(yǎng)標記、體內相關基因敲除-回補以及體外酶催化反應等多種實驗手段相結合的方式，闡明了二碳單元的獨特生源合成機制:NapB/D及QncN/L在催化功能上均屬于丙酮酸脫氫酶及轉酮醇酶的復合體，它們負責催化二碳單元由酮糖轉移至?；休d蛋白(ACP)上，而后經(jīng)過非核糖體蛋白合成(NＲPS)途經(jīng)進入到最終的化合物中。這種將基礎代謝中的酮糖直接轉化為次級代謝所需要的二碳單元在非核糖體肽合成途徑中是首次報道。該研究結果也有助于揭示海洋藥物ET-743獨特的二碳單元生物合成來源，為非核糖體聚肽類天然產物的組合生物合成帶來新的前體單元。此外，他們還利用全基因組掃描技術定位了抗生素谷田霉素生物合成的基因簇，通過基因敲除結合生物信息學分析確定了基因簇邊界。谷田霉素可以抑制致病真菌，且對腫瘤細胞表現(xiàn)出極強的毒性(比抗腫瘤藥物絲裂霉素的活性高約1000倍);該家族化合物屬于DNA烷基化試劑，典型的結構特征是吡咯吲哚環(huán)上的環(huán)丙烷結構。在對突變株的發(fā)酵檢測中成功分離、鑒定了中間體YTM-T的結構，并結合體外生化實驗揭示了一類同源于糞卟啉原III-氧化酶(CoproporphyrinogenIIIoxidase)的甲基化酶以自由基機理催化YTM-T發(fā)生C-甲基化［13］，這是此類蛋白催化自由基甲基化反應的首例報道，為下一步闡明YTM結構中最重要的環(huán)丙烷部分生物合成途徑奠定了基礎。Pyrroindomycins(PTＲ)是能夠有效對抗各類耐藥病原體的一種天然產物，它含有1個環(huán)己烯環(huán)螺連接的tetramate這一獨特的結構。劉文等［14］通過對PYＲ生物合成的研究揭示了2個新的蛋白質，均能夠單獨在體外通過迪克曼環(huán)化反應將N-乙酰乙酰基的-l-丙氨酰硫酯轉化成tetramate。這一工作揭示了一種通過酶的方式首先生成C—X(X＝O或N)鍵，然后再生成C—C鍵來構建5元雜環(huán)的生物合成途徑。1.5金屬催化劑在活細胞及信號轉導中的應用利用化學小分子在活體環(huán)境下實現(xiàn)生物大分子的高度特異調控是化學生物學領域的前沿熱點問題之一。作為生物體內含量最多的一類生物大分子，蛋白質幾乎參與了所有的生命活動，因此“在體”研究與調控其活性及生物功能意義重大。與發(fā)展較為成熟的蛋白質活性抑制劑及相應的“功能缺失性”研究相比，小分子激活劑對于研究蛋白質的結構與功能更為有效。這主要是因為后者可以在活細胞及活體動物、組織內實現(xiàn)“功能獲得性”研究，從而為目標蛋白質在天然環(huán)境下的功能及其在生命活動中扮演的角色提供更準確和細致的信息。然而，通過小分子實現(xiàn)蛋白質的原位激活是一項極具挑戰(zhàn)性的任務，目前大多數(shù)成功的例子都來源于大規(guī)模小分子庫篩選而獲得的針對某一特殊蛋白質靶標的“別構劑”，而沒有一種廣泛適用于不同類型蛋白質的普適性小分子激活策略。陳鵬課題組通過將基于鈀催化劑的“脫保護反應”與非天然氨基酸定點插入技術相結合，首次利用小分子鈀催化劑激活了活細胞內的特定蛋白質［15］。該方法通過將一種帶有化學保護基團的賴氨酸(炔丙基碳酸酯-賴氨酸，Proc-賴氨酸)以非天然氨基酸的形式定點取代目標蛋白質上關鍵活性位點的天然賴氨酸，使蛋白質的活性處于“關閉“狀態(tài)。利用能夠高效催化“脫保護反應”的鈀化合物，他們在活細胞內實現(xiàn)了蛋白質側鏈的原位脫保護反應(Proc-賴氨酸向天然賴氨酸的轉化)，使該蛋白質重新回到“開啟”狀態(tài)，實現(xiàn)“原位”激活。這一策略的優(yōu)勢在于將非天然氨基酸直接插入了目標蛋白質酶的催化活性位點，使其處于完全“關閉”的狀態(tài);而在激活過程中只要產生少量的處于“開啟”狀態(tài)的蛋白質就足以對其功能及相關生物學功能進行研究。利用這一技術，他們深入研究了一種細菌三型分泌系統(tǒng)的毒素效應蛋白OspF(磷酸絲氨酸裂解酶)對宿主細胞內的胞外信號調節(jié)激酶(Erk)參與的信號轉導通路的影響，并證明了該方法可作為普適性平臺，為活細胞及活體內的生物大分子激活提供了新的策略和工具。2基于蛋白質和多肽的研究李艷梅課題組長期致力于化學合成糖肽疫苗和免疫學研究，取得了一系列成果。現(xiàn)階段化學合成疫苗的研究主要存在兩大問題:一是需要尋找有效的特異性抗原，以區(qū)分正常組織和病變組織，二是需要尋找疫苗體系以打破免疫耐受，促進機體免疫反應。針對第1個問題，他們以MUC1糖肽為骨架，合成了具有不同糖基化修飾的腫瘤相關糖肽抗原。以牛血清白蛋白為載體，篩選表位，并研究構效關系，發(fā)現(xiàn)T9位蘇氨酸的糖基化修飾對糖肽的免疫原性具有至關重要的影響。針對第2個問題，他們對疫苗進行了結構優(yōu)化，通過T細胞表位、免疫刺激劑和自組裝片段等策略提高免疫反應效果，設計合成了兩組分疫苗、三組分疫苗以及自組裝疫苗等一系列高效的疫苗，能夠產生高強度的IgG抗體，同時可以通過疫苗分子調節(jié)體液免疫和細胞免疫。這些疫苗產生的抗體能夠結合并通過補體依賴細胞毒性作用殺死瘤細胞。該研究為進一步的疫苗研究打下了堅實的基礎［16，17］。目前，治療癌癥的主要方法仍然是化療法。利用能夠特異性靶向癌細胞的藥物可以減少藥物的負效應，提高癌癥患者的治愈率。不同類型的納米載體，如脂質體類、多聚納米顆粒、嵌段共聚物膠團和樹枝狀高分子，常用于抗癌藥物的靶向性釋放。為了更大地提高抗癌藥物的特異性釋放效率，多種方法被相繼開發(fā)，例如，將葉酸配體引入納米載體引導藥物靶向癌細胞的特定部位，將對生理特性的環(huán)境敏感分子(酸度敏感分子、溫控分子以及特定酶響應分子)引入納米載體用于體內特定環(huán)境的釋放。劉克良等［18］制備了外圍為疏水性含有葉酸修飾的聚乙二醇(PEG)而核心為超順磁性Fe3O4的納米藥物載體，并展示了該組裝體細胞內酸性環(huán)境定點釋放ADＲ藥物的功能。非共價作用力是維持蛋白三維結構的重要因素，小型多肽因結構小和非共價相互作用位點少而難以形成穩(wěn)定的三維空間結構。他們［19～21］利用多肽間相互作用催化分子間硫酯的胺解，制備了新型的共價偶聯(lián)的6HB多肽分子，并在多種條件下展示均具有高的熱穩(wěn)定性。該策略為穩(wěn)定多肽的三維結構提供了新的思路?；瘜W方法能夠實現(xiàn)原子水平精確控制蛋白質的序列和結構，是獲取特定修飾的生物體系難以表達的蛋白質的一種重要手段。當前使用最為廣泛的技術是以硫酯為合成子的自然化學連接反應。然而，多肽硫酯因其高度的熱不穩(wěn)定性和反應活性而不容易采用目前最為廣泛使用的Fmoc固相合成技術合成。劉磊等［22］利用烯胺的水解反應，基于所提出的溶液中分子內從N到S不可逆?；w移制備硫酯的策略，以多肽酰胺為底物，實現(xiàn)了Fmoc固相合成硫酯?；邗ｋ履軌蛟谌跛嵝詶l件下被亞硝酸轉化為?；B氮的特征，劉磊等發(fā)展了以多肽酰肼為結構單元的合成蛋白質的多肽酰肼連接技術［23］，結合保護基Tbeoc實現(xiàn)了全收斂酰肼連接制備蛋白質［24］，并結合非天然氨基酸嵌入技術發(fā)展出蛋白質半合成的新策略［25］。抑制病變蛋白Aβ聚集及解聚已成為治療阿爾茨海默癥(AD)的重要手段，受到人們的廣泛關注。大多數(shù)報道的Aβ抑制劑是有機小分子或肽。然而，這些抑制劑或不能穿透血腦屏障(BBB)，或缺乏與Aβ的識別能力，應用受到限制。能夠靶向結合Aβ，進而抑制Aβ聚集的藥物成為本領域目前研究的重點。利用自主設計細胞熒光篩選體系，結合化學、分子生物學、生物化學、生物物理和現(xiàn)代波譜學等手段，曲曉剛等發(fā)現(xiàn)一些特殊結構類型聚金屬氧酸鹽能夠調控AD病變蛋白Aβ的聚集，抑制效果與聚金屬氧酸鹽的結構、所帶電荷數(shù)及體積密切相關。研究成果作為封面文章發(fā)表在德國《Angew．Chem．Int．Ed．》［24］并被《C＆ENNews》作為亮點給予報道。此外，他們最新研究發(fā)現(xiàn)，具有鋅指結構的2個三螺旋金屬超分子化合物能夠有效地抑制Aβ聚集，并已獲得專利授權。進一步研究表明，這2個金屬超分子化合物能夠特定地結合在α/β-不一致伸縮區(qū)域，抑制Aβ的細胞毒性。體內研究表明，這些化合物可改善轉基因小鼠模型的空間記憶障礙，并降低腦內不溶性Aβ的水平。同時，該化合物還能解聚已經(jīng)形成的Aβ聚集體。這表明金屬超分子化合物不僅可以預防早期AD的發(fā)生，還具有緩解AD的作用，并已獲專利授權。這將為設計和篩選金屬超分子化合物作為Aβ抑制劑提供新的途徑。工作作為封面文章發(fā)表在《Chem．Sci．》［27］，并被英國皇家化學會《ChemistryWorld》以“新超分子阿爾茨海默癥藥物(NewsupramolecularAlzheimer'sdrugs)”［26］為題給予亮點報道。劉揚中等［29］開展了金屬配合物抑制結核菌內的蛋白剪接功能的研究，發(fā)現(xiàn)結核菌內一些酶通過Intein的蛋白剪接被活化，抑制蛋白剪接將抑制結核菌的生長。高等生物不具有Intein，因而Intein是抗結核菌藥物的理想靶點。通過體外蛋白剪接實驗和細胞實驗證實，順鉑在結核菌的作用靶點是Intein蛋白。王江云課題組［30］通過擴展基因密碼子，實現(xiàn)了具有光點擊活性的非天然氨基酸環(huán)丙烯賴氨酸在哺乳動物中的基因編碼。光照條件下，特異位點整合了環(huán)丙烯賴氨酸的蛋白質與小分子四唑化合物發(fā)生環(huán)加成反應，生成熒光活性基團，從而實現(xiàn)了時空可控的對哺乳動物細胞內蛋白特異位點的標記。此外，該課題組和陸藝課題組利用非天然氨基酸的定點插入，首次實現(xiàn)了用18kD的肌紅蛋白模擬呼吸鏈中重要膜蛋白復合物細胞色素c氧化酶。該工作首次提供了細胞色素c氧化酶中保守翻譯后修飾Tyr-His功能的直接證據(jù)，是蛋白質設計領域的重要進展，并有望在生物能學中獲得重要應用［31］。電子傳遞(ET)涉及生物體內許多重要的生化過程，王江云課題組及龔為民課題組通過基因密碼子擴展，實現(xiàn)在活細胞中編碼螯合金屬的非天然氨基酸3-吡唑基酪氨酸，為研究生物大分子中的光致電子轉移現(xiàn)象以及利用生物元件實現(xiàn)高效可控的光致電荷分離提供了有力的工具。這為蛋白動態(tài)構象變化研究提供了新的研究手段，為利用合成生物學手段生產可再生能源提供了新的研究思路，為金屬蛋白設計提供了新的工具。該項研究成果以內封面文章的形式發(fā)表于德國《Angew．Chem．Int．Ed．》［32］。作為哺乳動物體內酸性最強的器官，胃所含的強酸性胃液(pH為1～3)是人和動物抵御絕大多數(shù)微生物病菌的一道天然屏障。然而，腸道病原菌能夠在強酸性的胃液下存活，并進而造成腸道感染。陳鵬等［33］通過在蛋白中定點嵌入含有光交聯(lián)基團的非天然氨基酸系統(tǒng)地捕獲了一種酸性分子伴侶蛋白在酸脅迫下的“客戶蛋白”，并依此闡釋了大腸桿菌抵御胃酸的機理，理解大腸桿菌的抗酸性機理將極大地加深我們對這類病原菌的認識，為今后發(fā)展新型抗生素奠定基礎。結果發(fā)表后《C＆ENNews》作了專題報道。其后，他們進一步運用非天然氨基酸編碼技術成功地在腸致病性大腸桿菌、志賀氏菌及沙門氏菌中實現(xiàn)了光交聯(lián)及疊氮非天然氨基酸的定點嵌入，為病原菌侵入宿主細胞的機理研究打下基礎［34］。此外，他們結合在蛋白中定點嵌入末端為烯烴的非天然氨基酸及Thiol-ene反應，實現(xiàn)了藥用蛋白質定點的標記及PEG化修飾，為藥用蛋白的化學改性提供了新途徑［35］。3糖化學生物學的進展寡糖化合物的合成是制約糖科學發(fā)展的瓶頸之一。葉新山等利用“糖基供體預活化”策略，將添加劑控制的立體選擇性糖基化方法應用于葡萄糖和半乳糖硫苷供體的糖基化反應中，實現(xiàn)了路易斯酸控制的高α-立體選擇性糖基化反應［36］;并將該策略成功應用于傷寒Vi抗原寡糖重復片段的合成［37］。俞飚等對一價金催化的以糖基鄰炔基苯甲酸酯為供體的糖基化方法的機理［38］進行了深入研究，并進一步用于藥用分子Digitoxin［39］和皂苷類化合物［40］的合成;他們還首次實現(xiàn)了結構復雜的含脫氧糖單元的抗生素LandomycinA的合成［41］。發(fā)展糖化學生物學研究的新方法至關重要。陳興課題組［42］報道了一種具有細胞靶向性的非天然糖代謝標記新方法。他們將非天然糖包裹在靶向性脂質體內，并通過受體介導的細胞內吞，將非天然糖傳輸?shù)教囟ǖ募毎麅龋M入細胞的非天然糖通過糖代謝途徑修飾于細胞表面聚糖上，最后可通過生物正交反應進行成像和檢測。張延等［43］建立了一種從復雜生物樣品中分離富集糖基化蛋白的新方法，開發(fā)了一種具有選擇性富集疊氮標記O-糖基化多肽及蛋白的炔基修飾納米磁珠，通過炔基與疊氮基團之間的點擊反應富集帶有疊氮標記的糖蛋白，通過DTT及TCEP等的還原作用將磁珠結構上的二硫鍵切斷，從而將富集的糖蛋白從磁珠上解離，再通過SDS、LC-MS等技術對這些糖基化蛋白進行鑒定。王鵬課題組與美國西北大學Mrksich教授合作［44］，發(fā)展了一種糖基轉移酶快速鑒定的新方法。該方法結合了高通量基因克隆技術、無細胞蛋白表達技術、自組裝單層糖芯片技術以及在線質譜分析技術，將7種糖基供體與近100種細胞外表達的糖基轉移酶分別放到含有23種不同糖基受體的芯片上進行反應，反應后沖洗糖芯片并使用全自動的在線質譜檢測系統(tǒng)分析結果，超過3萬個的反應可在幾天內完成。糖類化合物在藥學上的用途一直吸引著研究者的興趣。葉新山等［45］對腫瘤相關天然糖抗原STn進行結構修飾，發(fā)現(xiàn)某些經(jīng)適當修飾后的抗原具有更高的免疫原性，所產生的抗體能識別天然抗原，并且與表達STn抗原的腫瘤細胞相作用，從而為抗腫瘤糖疫苗的研究提供了新的路徑。他們［46］還設計合成了幾種N-烷基二脫氧氮雜糖化合物，這些氮雜糖化合物能夠抑制ConA誘導的小鼠脾T淋巴細胞的增殖;進一步研究表明，這種抑制效應源于它們對細胞因子IFN-γ和IL-4分泌的抑制;然后進行了動物水平的皮膚移植實驗，結果顯示這些氮雜糖類化合物能夠延長小鼠皮膚移植后皮片的存活時間。這些結果為新型免疫抑制劑的研制提供了希望。4核酸化學生物學的進展隨著化學、生物學和醫(yī)學研究的發(fā)展和融合，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)大量重大疾病，如惡性腫瘤、遺傳疾病等，都與核酸相關。核酸不僅是遺傳基因信息的載體，同時基因信息調控的正確與否與生命體的正常生理功能和健康與疾病有密切的聯(lián)系。而且，機體受各因素影響發(fā)生基因變異到形態(tài)學或生理功能發(fā)生病變，是一個多階段的改變累積過程。端粒DNA和端粒酶與人的壽命和癌癥等疾病密切相關，已成為癌癥治療的特殊靶標。曲曉剛等［47］發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以通過穩(wěn)定人端粒i-motif結構來抑制端粒酶的活性，此實驗結果第一次證實單壁碳納米管(SWNT)干擾端粒功能。這為SWNT的生物醫(yī)學效應和i-motifDNA的生物學重要性提供了新的認識。周翔等［48］發(fā)現(xiàn)G-四鏈體能夠誘導DNA鏈間的交換，這種高度選擇性的鏈交換反應揭示了基因重組和DNA修復的一種全新機制。譚錚等［49］鑒定得到了一個端粒DNA結合蛋白，該蛋白能夠與端粒、端粒酶相互作用，提高端粒酶延伸端粒DNA的催化活性和進行性。在DNA甲基化方面，周翔等［50］設計了系列鹵代銨鹽衍生物，可以高選擇性識別DNA鏈中的5-甲基胞嘧啶，這種精確的識別還可以區(qū)分5-甲基胞嘧啶和5-羥甲基、5-醛基胞嘧啶，有望融合下一代測序方法為表觀遺傳學的研究提供了有力的工具和新的突破。任勁松等［51］首次將適體DNA同時用作介孔硅封蓋試劑和癌細胞靶向試劑，結合化學療法、光熱療法和成像于一體系，用于癌癥診斷和治療，該工作作為封面文章發(fā)表在《Adv．Mater．》上。他們［52］還通過納米金可視化的方法對微量端粒酶活性進行快速檢測。這些針對miＲNA、端粒酶、循環(huán)腫瘤細胞的研究對于目前癌癥的快速診斷和早期預警提供了技術支撐。ＲNA干擾近年來一直被認為可用于新一代生物制藥技術，各國政府及制藥巨頭投入巨大，但小核酸生物制藥一直受到核酸穩(wěn)定性、脫靶效應及給藥性差等因素制約。梁子才、席真等［53］通過深入研究小核酸在人血清中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)血清中ＲNaseA具有雙鏈ＲNA限制性內切酶性質，是造成小核酸血清不穩(wěn)定性的主要因素，并發(fā)現(xiàn)對雙鏈siＲNA中熱切位點的單堿基修飾可以極大提高小核酸血清穩(wěn)定性。他們進一步發(fā)現(xiàn)，利用普適性堿基對雙鏈siＲNA進行單點突變，可以極大提高ＲNA干擾中雙鏈siＲNA的鏈選擇性，降低siＲNA的脫靶效應［54］。通過研究siＲNA的體內不對稱性選擇機制而設計合成的超高效siＲNA可以達到pmol/L級的ＲNA干擾活性［55］。5分析方法和手段的進展徐濤和徐平勇等在超高分辨率成像領域取得重要研究成果。近期發(fā)展的超高分辨率成像技術(F)PALM/STOＲM能夠在納米尺度展示生物分子的精確定位，是蛋白質研究和熒光成像領域的研究熱點和發(fā)展趨勢。然而，現(xiàn)有的熒光蛋白限制了當前(F)PALM/STOＲM等超高分辨成像技術的發(fā)展和廣泛應用。為了進一步完善和優(yōu)化現(xiàn)有的超高分辨成像方法，發(fā)展具有普適性和顏色多樣的新型光激活熒光蛋白(PAFPs)至關重要。但是與傳統(tǒng)的光不敏感熒光蛋白(比如GFP，ＲFP)領域相比較，可逆光轉化熒光蛋白ＲSFP的發(fā)展較為滯后，品種較少。他們通過一種光轉化熒光蛋白mEos2的隨機突變，獲得了一系列具有光開關功能的綠色熒光蛋白，改善了現(xiàn)階段光開關熒光蛋白(ＲSFP)發(fā)展滯后、品種單一的問題。其中的mGeos-M因其具有十分優(yōu)異的單分子特性，有望成為替代Dronpa的新一代超高分辨率顯微成像分子探針［56］。此外，為了解決膜蛋白的標記問題，同時發(fā)展綜合性質更佳的熒光蛋白探針，他們［57］通過晶體結構解析和定點突變，獲得了2個真正單體熒光蛋白:mEos3.1和mEos3.2。進一步的研究顯示，mEos3具有成熟時間短、亮度高的特性。用于單分子定位時具有很高的標記密度和光子產出，在超高分辨成像中比當前所有PAFPs都表現(xiàn)出色。楊弋等［58］發(fā)明了一種簡單實用的光調控基因表達系統(tǒng)，將可以廣泛應用于基礎研究領域，并可能用于光動力治療，這是我國科學家在合成生物學與光遺傳學前沿領域獲得重要突破。通過合成生物學的方法，他們成功開發(fā)出一種簡單、穩(wěn)定、容易使用的光調控基因表達系統(tǒng)。該系統(tǒng)稱為LightOn系統(tǒng)，由1個光調控的轉錄因子和含有目的基因的轉錄單元構成。在藍光存在的情況下，轉錄因子能夠迅速被激活，從而啟動目的基因的轉錄與表達。利用該系統(tǒng)在小鼠活體內進行實驗，他們成功實現(xiàn)了紅色熒光蛋白在小鼠肝臟的指定區(qū)域的光控表達。此外，他們課題組［59］還開發(fā)了一系列檢測NADH的遺傳編碼熒光探針。方曉紅、郭雪峰等［60］利用具有G4構象的DNA適配體分子構建了功能化的單分子器件，實現(xiàn)了對凝血酶的高選擇性的可逆檢測，最低檢測濃度可達2.6amol/L(～88ag/mL)。與微流控技術相結合，進一步實現(xiàn)了對單個生物結合過程的在線檢測，從而發(fā)展了一種高特異性、高靈敏度的在線生物檢測的可行性技術。該方法也提供了單個蛋白質分子檢測的新思路。顏曉梅等［61］通過對噬菌體進行基因改造，構建了雙砷染料-四半胱氨酸重組噬菌體體系，成功地應用于細菌的靈敏、特異檢測。由于噬菌體只能在活菌中繁殖，而且重組四半胱氨酸標簽中的半胱氨酸必須處于還原態(tài)才能與雙砷染料牢固結合，因此可以利用細菌胞漿的還原環(huán)境，通過對重組噬菌體四半胱氨酸的檢測實現(xiàn)死菌和活菌的區(qū)分。噬菌體入侵活的宿主菌并在其體內快速繁殖，噬菌體衣殼蛋白所表達的四半胱氨酸片段與后續(xù)加入的跨膜雙砷染料結合，發(fā)出強烈的熒光，單個活細菌的信號可用流式細胞儀或熒光顯微鏡靈敏檢測。陳鵬課題組發(fā)展了一種強酸性環(huán)境下的活細胞pH熒光探針［62］。由于傳統(tǒng)的基于熒光蛋白或熒光小分子的pH探針在酸性條件下不夠穩(wěn)定或細胞內定位困難，無法適用于對強酸性環(huán)境下的活細胞進行探測。他們通過將酸性分子伴侶蛋白質和熒光小分子相結合，成功用于檢測活體內強酸性環(huán)境的pH熒光探針，并分別在革蘭氏陰性細菌及哺乳細胞表面做了展示。楊朝勇等［63］發(fā)展了一種基于l-DNA分子信標(l-MB)的安全、穩(wěn)定、準確的細胞內的納米溫度計。根據(jù)該探針所設計的溫度敏感的發(fā)夾結構和熒光共振能量轉移的原理，它能夠用于對活細胞內的溫度進行測量，將成為一個無創(chuàng)、準確地獲取細胞內的溫度的有力工具。6化學生物學領域的部分國際研究熱點和前沿以及我國科學家的貢獻6.1以細胞信號轉導為主線的化學生物學研究蓬勃發(fā)展在G蛋白偶聯(lián)受體、TGF-β受體、Wnt、NFκB等信號轉導途徑的分子機理及其與細胞增殖、分化、凋亡及遷移等生命活動的關系的化學生物學研究方面都取得了突破性的進展，涌現(xiàn)了若干高水平的研究成果。我國科學家也在急性髓系白血病(AML)細胞凋亡的機制和治療手段、抑制TGFβ受體活性的小分子及機理研究、酸敏感離子通道的動力學行為和通道門控功能、干細胞多能性的維持機制及相應的誘導因子的發(fā)現(xiàn)等方面取得突破。6.2生物活性分子的合成方法取得進展在直接利用天然小分子探針的同時，科學家們還發(fā)展了高效的天然產物組合庫合成方法，復雜天然糖綴合物及寡糖的化學合成方法，環(huán)肽及帶有不同修飾基團的多肽的合成方法，利用合成生物學合成活性分子等。在合成生物活性小分子或生物大分子方面所取得的這些成果極大地推動了我國化學生物學的發(fā)展。6.3現(xiàn)代分析技術和方法在化學生物學研究中的重要性日益彰顯各種原位、實時、高靈敏、高選擇、高通量的新方法和新技術在國際上不斷涌現(xiàn)，我國科學家對此也做出了巨大貢獻。例如，在生物分子檢測探針和生物傳感器方面，發(fā)展了多種適合于實時檢測活細胞中金屬離子、自由基、活性氧等重要生物活性分子的光學探針，發(fā)展了細胞表面糖基和聚糖等的原位檢測傳感器。開發(fā)了基于化學抗體-核酸適配體的蛋白質、核酸檢測新方法，藥物小分子或小分子配體與蛋白質復合物結構和分子識別的質譜分析和光學檢測等新方法。在單分子水平的分析檢測方面，發(fā)展了能在活細胞狀態(tài)監(jiān)測蛋白質亞基組成和信號轉導過程中蛋白質動態(tài)行為的單分子熒光成像法、分析蛋白質聚集狀態(tài)的單分子熒光光譜法，以及能在細胞上實時檢測配體-受體的作用力和復合物穩(wěn)定性的單分子力譜法。6.4在時間與空間上對細胞內的分子過程與新陳代謝進行成像與控制的技術這些技術可為復雜生物學問題的解析提供重要的工具，是國際上的研究前沿與熱點。我國科學家針對細胞代謝研究的技術瓶頸問題，發(fā)明了系列特異性檢測核心代謝物NADH的基因編碼熒光探針，實現(xiàn)了活細胞各亞細胞結構中對細胞代謝的動態(tài)檢測與成像，不僅可為細胞、發(fā)育等基礎研究提供創(chuàng)新方法，也為癌癥和代謝類疾病的機制研究與創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)提供了有力工具。在此基礎上，利用合成生物學與化學生物學方法，開發(fā)出由光調控的轉錄因子和含有目的基因的轉錄單元構成的基因表達系統(tǒng)，為發(fā)育、神經(jīng)生物學的復雜生物學問題解析提供有力研究工具。6.5計算化學和計算生物學取得明顯進展計算化學與計算生物學在生命科學和藥學研究中的應用在國際上受到了極大的關注。我國科學家較快地將計算化學和計算生物學應用于化學生物學研究，開展了不少開創(chuàng)性的研究和有特色的工作，取得了一些具有重要創(chuàng)新性的成果。其中，在以小分子為探針進行藥物靶標預測和生物分子功能研究、生物分子模擬應用、生物網(wǎng)絡和化學小分子對于生物系統(tǒng)的作用以及蛋白質設計等方面都取得了一些創(chuàng)新性成果。7化學生物學的發(fā)展趨勢化學生物學經(jīng)過十多年的發(fā)展正在成為一門具有自身特點和內涵的學科，將成為研究生命科學問題的重要手段及創(chuàng)新藥物研究的重要工具。以下就未來化學生物學發(fā)展的趨勢加以展望。7.1化學生物學的方法與技術7.1.1探針分子的發(fā)現(xiàn)分子探針是一類能與其他分子或者細胞結構相結合，幫助獲得重要生物大分子在細胞中的定位、定量信息或進行功能研究的分子工具。7.1.2生物正交化學發(fā)展能夠在活細胞環(huán)境下進行但不干擾細胞內在生化過程的化學分子工具及其化學反應。7.1.3生物標記與成像通過具有高靶標親和力或者生物正交化學反應能力的分子探針標記特定物質，對生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。7.1.4生物分子的光調控通過遠程光源誘發(fā)生物分子上所連光活性基團的反應，從而對生物分子實現(xiàn)具有時空分辨率的結構及功能調控，并發(fā)現(xiàn)動態(tài)生命體系中新的分子機制。7.2生物大分子的化學生物學7.2.1核酸化學生物學在分子水平上研究核酸的結構、功能及作用機理，運用核酸探針研究和調控細胞生命活動，并在研究過程中強調化學方法與化學手段的運用與創(chuàng)新。7.2.2蛋白質與多肽化學生物學在分子水平上研究蛋白質與多肽分子的結構、功能及生物學、醫(yī)學應用，并在研究過程中強調化學方法與化學手段的運用與創(chuàng)新。7.2.3糖、脂化學生物學運用化學方法與技術，在分子水平上研究糖和脂這兩類生物分子的結構與功能，探索糖、脂在生命過程中的基本規(guī)律，促進糖、糖綴合物和脂的生物醫(yī)學應用。7.2.4生物大分子的修飾與功能運用化學生物學方法與技術研究生物大分子的化學修飾、機理、調控基因表達等生物功能。7.3計算化學生物學活性分子設計理論及應用;生物分子功能的理論預測;生物網(wǎng)絡計算與模擬;生物體系分子動態(tài)學以及生命體系的人工設計與模擬等。7.4細胞化學生物學7.4.1探針分子與生物大分子的相互作用發(fā)展特異識別生物大分子的化學探針，并利用該特異性結合調控生物大分子生理功能的探索是化學生物學研究的一項重要內容。7.4.2信號轉導過程的分子識別利用化學生物學方法和技術，研究重要信號轉導通路以及這些過程中的重要生物大分子在細胞生理和病理條件下的作用機制。7.4.3細胞重編程過程的小分子調控將小分子化合物用于干細胞的自我更新、定向分化及體細胞重編程等方面的研究是國際上干細胞研究領域的熱點問題，也是采用化學生物學策略進行干細胞研究的優(yōu)勢所在。7.4.4非編碼ＲNA體系的小分子調控非編碼ＲNA體系的小分子調控是通過設計、合成、篩選等手段，開發(fā)出能夠特異性地識別、結合非編碼ＲNA并調控非編碼ＲNA生理功能的活性小分子，以期實現(xiàn)小分子在非編碼ＲNA相關生物學、醫(yī)學問題中的研究與應用。7.5藥物發(fā)現(xiàn)的化學生物學基礎癌癥、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病、免疫疾病、病毒和病菌感染等重大疾病的藥物靶標和先導化合物的開發(fā)。7.6化學生物學的應用7.6.1生物標志物與疾病診斷的化學生物學研究可以標記系統(tǒng)、器官、組織、細胞及亞細胞結構