近年來，化學生物學已經成為具有舉足輕重作用的一門新興交叉學科，是推動未來生命科學和生物醫藥發展的關鍵研究領域。通過充分發揮化學和生物學、醫學交叉的優勢，化學生物學的研究具有重要的科學意義和應用前景，能夠深入揭示生物學新規律，促進新藥、新靶標和新的藥物作用機制的發現，造福于人類的健康事業，推動社會經濟發展。

目前，化學生物學研究已經引起各國政府和全球重要科研機構的高度重視，成為發達國家競相資助和優先發展的領域之一?；瘜W生物學研究受到各國政府、科研機構和大制藥公司的高度重視。美國國立健康研究院 \\( NIH\\) 提出的生物醫學路線圖計劃 \\( NIH Ｒoadmap\\) ，將化學生物學設定為 5 個研究方向之一。它們還設立了巨額預算作為化學生物學的培訓經費以及建立了若干著名的小分子化合物篩選平臺。例如，博大研究院\\( Broad Institute\\) 就是一個由哈佛大學和麻省理工學院共建的合作單位，致力于開發在生命科學和醫藥學中能探究基因組學的新工具?；瘜W遺傳學 \\( chemical genetics\\) 以 及 化 學 基 因 組 學\\( chemical genomics\\) 在該過程中發揮著重要的作用。耶魯大學基因組和蛋白質組研究中心 \\( YaleUniversity Center for Genomics and Proteomics\\) 專門成立了化學生物學研究小組，從事化學生物學新技術的開發，并應用于功能基因組等方面的研究中。美、日和大部分歐洲發達國家的一流大學均建立了化學生物學人才培養計劃。各出版機構都相繼出版了高水平的化學生物學專業學術雜志，此外許多生物和化學國際會議也設立了化學生物學分會。這些努力都極大地推動了國際上化學生物學研究水平的快速進步。

在化學生物學的發展過程中，相繼出現了如組合化學、高通量篩選技術、分子進化、基因組\\( 芯片\\) 技術、單分子和單細胞技術等一系列新技術和新方法，為化學與生物學、醫學交叉領域的研究注入了新的內涵和驅動力。近年來，化學生物學家以小分子探針為主要工具，對細胞生命現象，尤其是細胞信號轉導過程中的重要分子事件和機理進行了深入的研究。通過充分發揮小分子化學探針研究信號轉導的優勢，探索和闡述信號轉導途徑的分子事件與規律以及在病理狀態下的變化規律，為疾病的診斷和治療研究探索新的思路。

與此同時，化學生物學在與包括生物化學、分子生物學、結構生物學、細胞生物學等領域的交叉合作越發深入，研究優勢越發明顯，這也推動了化學、醫學、藥學、材料科學和生物學科相關前沿的探索研究，現舉例介紹目前的一些具體的交叉研究趨勢: 第一，生物有機化學與細胞生物學的交叉融合，利用有機化學手段，通過設計合成一系列多樣化的分子探針，研究細胞信號轉導過程的重要分子機理; 第二，藥物化學與醫學的交叉融合，為了實現“從功能基因到藥物”的藥物研發模式，采用信號傳導過程研究與靶標發現相結合，注重藥物靶標功能確證與化合物篩選相融合的研究策略; 第三，化學生物技術與生命科學問題的交叉融合，以化學生物學技術為手段，著重發展針對蛋白質、核酸和糖等生物大分子的特異標記與操縱方法，以揭示它們所參與的生命活動的調控機制; 第四，分析化學與生物學的交叉融合，以化學分析為手段，發展在分子水平、細胞水平或活體動物水平上獲取生物學信息的新方法和新技術?；瘜W在讓生命可視、可控、可創造的進程中日益彰顯其核心作用。

以下對近兩年來我國化學生物學領域取得的突出進展加以具體的歸納和介紹。

1 基于小分子化合物及探針的研究

1. 1 以小分子化合物為探針，深入研究細胞生理、病理活動的調控機制

自吞噬\\( autophagy\\) 是細胞內的一個重要降解機制。中國科學院上海有機化學研究所馬大為和美國哈佛大學袁鈞英合作，發現 spautin-1 可以特異性地抑制泛素化酶 USP10 和 USP13，進一步促進了 VPS34/P13 復合物的降解，導致特異性地抑制自吞噬。他們發現 USP10 和 USP13 作用于VPS34 / P13 復合物的亞單位 Beclin-1，Beclin-1 是一腫瘤抑制劑，調控 P53 的水平。他們的發現提供了一個蛋白去泛素化調控 P53 和 Beclin-1 的水平、抑制腫瘤的新機制［1］。近年來，細胞壞死逐漸被認為是哺乳動物的發育和生理過程的重要組成部分，并參與了人類的多種病理過程。雷曉光和王曉東等通過篩選得到 1 個抑制細胞壞死的小分子化合物壞死磺酰胺\\( necrosulfonamide\\) 。此前王曉東實驗室的研究證實了 ＲIP3 的激酶活性在腫瘤壞死因子 TNF-α 誘導的細胞壞死過程中是不可或缺的，并發現 MLKL 扮演著 ＲIP3 激酶其中1 個底物的角色。這次發現的小分子正是通過特異識別 MLKL 而阻止壞死信號的傳導［2］，對于設計并開發針對細胞壞死相關疾病的藥物起到了極大的提示和推動作用。裴端卿等繼發現維生素 C能夠顯著提高小鼠與人的體細胞重編程效率\\( 效率可以達到約 10%\\) 引起廣泛關注之后，進一步研究發現體細胞的組蛋白去甲基化酶 Jhdm1a/1b是維生素 C 介導的細胞重編程的關鍵作用因子。他們發現，維生素 C 能夠誘導小鼠成纖維細胞H3K36me2 /3 去甲基化，并促進體細胞重編程。

該工作也證明了制約體細胞“變身”的分子障礙是組蛋白 H3K36me2/3，而維生素 C 能夠突破這一障礙從而促進重編程的發生［3］，該工作被選為了《Cell Stem Cell》當期的封面文章。鄧宏魁等通過系列篩選工作，首次發現 4 個小分子化合物可以完全替代 Yamanaka 四因子，將小鼠體細胞誘導成為多潛能性干細胞，這項工作將直接導致化學再生醫藥新領域的產生［4］。宋保亮等針對膽固醇負反饋調控途徑，篩選活性小分子化合物，研究其對代謝性疾病的功能作用，并揭示膽固醇代謝負反饋調控的信號轉導機制。首先他們針對SＲEBP 途徑構建報告基因系統，對數千種化合物進行篩選，獲得 1 種名為白樺酯醇的小分子化合物，它能夠特異性地阻斷 SＲEBP 的成熟，抑制其活性。在細胞水平，白樺酯醇能顯著抑制膽固醇、脂肪酸和甘油三酯等脂質合成基因的表達，減少脂質合成，降低細胞內脂質含量。因此，白樺酯醇具有良好的抗動脈粥樣硬化作用和Ⅱ型糖尿病的治療作用［5］。

1. 2 若干細胞關鍵信號轉導通路的研究

李林發現了 NC043 和中國科學院昆明植物研究所郝小江發現了天然產物 S3 類似物 HLY78兩個全新的調節 Wnt 信號途徑的小分子。其中，NC043 影響細胞內 β-catenin 和 TCF4 的相互作用而抑制 Wnt 信號途徑并抑制結腸癌細胞的生長［6］; S3 抑制經典 Wnt 信號途徑，并且它發揮作用的主要機制是在細胞核里，這為治療由于經典Wnt 信號途徑異常激活而引起的癌癥提供了先導化合物。同時，他們還發現 S3 對于不同的經典Wnt 信號途徑異常激活的腫瘤細胞系的抑制效率也是不一樣的，這為后期探明不同腫瘤細胞系之間的差別和揭示 Wnt 信號途徑下游轉錄調控的機理提供了契機。

1. 3 重要靶標、抑制劑和標記物的發現

陳國強等在前期發現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，結果發現，腺花素能夠與過氧化還原酶 Prx I和 Prx II 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、黃培強等發現了名為 TMPA 的化合物，能夠通過與吳喬等前期發現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］。該工作所發現的化合物 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、鎮學初等［10］針對帕金森氏病治療過程中出現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，進而發現了同時靶向多巴胺 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現了螳螂腸道真菌\\( Daldinia eschscholzii \\) 產 生 的 結 構 全 新 的Dalesconol 類免疫抑制物及其獨特的“異構體冗余現象”。在此基礎上，發現 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，同時發現其“異構體冗余現象”很可能源于真菌漆酶引致的關鍵中間體優勢構象［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 Ecteinascidin 743 \\( 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，而后經過非核糖體蛋白合成\\( NＲPS\\)途經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上的環丙烷結構。在對突變株的發酵檢測中成功分離、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\\( Coproporphyrinogen III oxidase\\) 的甲基化酶以自由基機理催化 YTM-T 發生 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 個環己烯環螺連接的 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化反應將 N-乙酰乙?；?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境下實現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“功能獲得性”研究，從而為目標蛋白質在天然環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，通過小分子實現蛋白質的原位激活是一項極具挑戰性的任務，目前大多數成功的例子都來源于大規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。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，實現“原位”激活。這一策略的優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; 而在激活過程中只要產生少量的處于“開啟”狀態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?，F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，發現 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，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的 6HB 多肽分子，并在多種條件下展示均具有高的熱穩定性。該策略為穩定多肽的三維結構提供了新的思路。

化學方法能夠實現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 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、生物物理和現代波譜學等手段，曲曉剛等發現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、所帶電荷數及體積密切相關。研究成果作為封 面 文 章 發 表 在 德 國《Angew． Chem． Int．Ed． 》［24］并被《C＆EN News》作為亮點給予報道。

此外，他們最新研究發現，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表在《Chem． Sci． 》［27］， 并 被 英 國 皇 家 化 學 會《Chemistry World》以“新超分子阿爾茨海默癥藥物\\( New supramolecular Alzheimer's drugs\\) ”［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，發現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，實現了具有光點擊活性的非天然氨基酸環丙烯賴氨酸在哺乳動物中的基因編碼。光照條件下，特異位點整合了環丙烯賴氨酸的蛋白質與小分子四唑化合物發生環加成反應，生成熒光活性基團，從而實現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，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象以及利用生物元件實現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基團的非天然氨基酸系統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，為今后發展新型抗生素奠定基礎。結果發表后《C＆EN News》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了光交聯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; 他們還首次實現了結構復雜的含脫氧糖單元的抗生素Landomycin A 的合成［41］。發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，將非天然糖傳輸到特定的細胞內，進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-PAGE、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，發現某些經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 Con A 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、生物學和醫學研究的發展和融合，現在發現大量重大疾病，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系。而且，機體受各因素影響發生基因變異到形態學或生理功能發生病變，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］發現，碳納米管可以通過穩定人端粒 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 的生物醫學效應和 i-motif DNA 的生物學重要性提供了新的認識。周翔等［48］發現 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定性，發現血清中 ＲNase A 具有雙鏈 ＲNA 限制性內切酶性質，是造成小核酸血清不穩定性的主要因素，并發現對雙鏈 siＲNA 中熱切位點的單堿基修飾可以極大提高小核酸血清穩定性。他們進一步發現，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展趨勢。然而，現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展和廣泛應用。為了進一步完善和優化現有的超高分辨成像方法，發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，改善了現階段光開關熒光蛋白\\( ＲSFP\\) 發展滯后、品種單一的問題。

其中的 mGeos-M 因其具有十分優異的單分子特性，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 都表現出色。楊弋等［58］發明了一種簡單實用的光調控基因表達系統，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，他們成功開發出一種簡單、穩定、容易使用的光調控基因表達系統。該系統稱為 LightOn 系統，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。利用該系統在小鼠活體內進行實驗，他們成功實現了紅色熒光蛋白在小鼠肝臟的指定區域的光控表達。此外，他們課題組［59］還開發了一系列檢測 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，進一步實現了對單個生物結合過程的在線檢測，從而發展了一種高特異性、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境，通過對重組噬菌體四半胱氨酸的檢測實現死菌和活菌的區分。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加入的跨膜雙砷染料結合，發出強烈的熒光，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。陳鵬課題組發展了一種強酸性環境下的活細胞 pH 熒光探針［62］。由于傳統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定或細胞內定位困難，無法適用于對強酸性環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］發展了一種基于l-DNA 分子信標 \\( l-MB\\) 的安全、穩定、準確的細胞內的納米溫度計。根據該探針所設計的溫度敏感的發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、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展

在 G 蛋白偶聯受體、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現等方面取得突破。

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展。

6. 3 現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，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，發展了細胞表面糖基和聚糖等的原位檢測傳感器。開發了基于化學抗體-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，發展了能在活細胞狀態監測蛋白質亞基組成和信號轉導過程中蛋白質動態行為的單分子熒光成像法、分析蛋白質聚集狀態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，實現了活細胞各亞細胞結構中對細胞代謝的動態檢測與成像，不僅可為細胞、發育等基礎研究提供創新方法，也為癌癥和代謝類疾病的機制研究與創新藥物發現提供了有力工具。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，為發育、神經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，開展了不少開創性的研究和有特色的工作，取得了一些具有重要創新性的成果。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、生物網絡和化學小分子對于生物系統的作用以及蛋白質設計等方面都取得了一些創新性成果。

7 化學生物學的發展趨勢

化學生物學經過十多年的發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新藥物研究的重要工具。

以下就未來化學生物學發展的趨勢加以展望。

7. 1 化學生物學的方法與技術

7. 1. 1 探針分子的發現 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 發展能夠在活細胞環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 通過遠程光源誘發生物分子上所連光活性基團的反應，從而對生物分子實現具有時空分辨率的結構及功能調控，并發現動態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律，促進糖、糖綴合物和脂的生物醫學應用。

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; 生物網絡計算與模擬; 生物體系分子動態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，以期實現小分子在非編碼 ＲNA 相關生物學、醫學問題中的研究與應用。

7. 5 藥物發現的化學生物學基礎

癌癥、心血管疾病、神經退行性疾病、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。

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、器官、組織、細胞及亞細胞結構，以及與疾病發生、發展密切相關的各種細胞學、生物學、生物化學或分子指標。

7. 6. 2 功能性分子的生物合成 生物合成是生物體內進行的同化反應的總稱，為許多常規化學方法不能或不易合成的化合物提供新合成途徑。

7. 6. 3 生命復雜體系的組裝與模擬 在超分子水平上研究生物活性分子間相互作用的本質和協同規律，在此基礎上實現對組裝過程的調控，創造具有特定功能的自組裝體系。

7. 6. 4 納米技術的化學生物學 發展生命調控的納米材料，提供生命研究的功能化納米分子工具，研究解決與重大疾病的診斷和治療相關的問題。

8 人才培養與平臺建設

我國基本上與國際同步開展化學生物學方法發展和應用研究，具備良好的發展基礎。通過過去十多年的努力，我國已經培養、造就了一支較強的化學生物學研究隊伍，擁有一批具有較高水平的學術帶頭人，發展和儲備了一系列化學生物學新方法和新技術。許多高等院校開始培養化學生物學碩士、博士研究生，部分高校已經開始招收化學生物學本科生。近期，國務院學位辦公室和教育部等部門先后將化學生物學設立為二級學科。這也進一步說明，化學生物學作為一門新興的學科已日趨成熟和完善。

8. 1 人才培養

根據國際化學生物學研究的發展狀況，我國相繼成立了開展化學生物學研究的機構。北京大學、清華大學、南開大學、復旦大學、南京大學、廈門大學、武漢大學、湖南大學、四川大學、中山大學、華東理工大學等十多所高校相繼成立了化學生物學教育部重點實驗室、化學生物學系或研究生專業; 中科院上海生命科學研究院和中科院上海有機化學研究所\\( 生命有機化學國家重點實驗室\\) 成立了化學生物學聯合研究中心; 中科院化學所、大連化物所、福建物質結構研究所、蘭州化物所、武漢物理數學研究所等也成立了化學生物學研究中心或研究室。2011 年“藥物化學生物學”國家重點實驗室經批準在南開大學建立，這標志著化學生物學學科有了自己的第一個國家重點實驗室。與此同時，因創新藥物研究的需要，我國培養了一批化學生物學研究所必須的組合化學、高通量篩選和活性化合物設計研究隊伍; 因基因組和功能基因組研究的需要，我國也培養了一批生物信息學和基因組研究人才隊伍。此外，我國在生物醫學領域的人才培養也有了長足的進步，為化學家與生物學家在相互感興趣的交叉領域展開充分的合作奠定了基礎。

8. 2 研究平臺建設

8. 2. 1 項目資助 近年來，國家自然科學基金委員會、科技部、教育部等部門對化學生物學的資助力度逐年加大。這里重點介紹國家自然科學基金委員會的“基于化學小分子探針的信號轉導過程研究”重大研究計劃項目。該重大研究計劃于2007 年 1 月正式發布指南，接受申請。申請項目涉及國家自然科學基金委員會數理、化學、生命、工材、信息和醫學 6 個學部。第一批資助的 43 項培育項目已于 2010 年底順利結題。在 2011 年國家自然科學基金委員會組織的重大研究計劃中期評估中，該重大研究計劃被評為優秀，并在所有參評重大研究計劃當中排名第一。

最近兩年，該重大研究計劃以小分子探針為主要工具，充分發揮化學和生命科學等多學科交叉合作的優勢，對細胞信號轉導中的重要分子事件和機理進行了深入的研究，在一些前沿研究方向上取得了突出的成績，相關研究結果發表在《Cell》、《Proc． Natl． Acad． Sci． USA》《NatureChemical Biology》、《Nature Chemistry》、《NatureMethods》、《Nature Protocol》、《Science Signaling》、《ChemBioChem》、《J． Am． Chem． Soc． 》、《Angew． Chem． Int． Ed． 》等重要的期刊上。這一重大研究計劃使得我國的化學生物學研究隊伍的規模有了更為快速的增長。它的順利實施使得一批化學和生命科學的研究人員開展了實質性的合作，為我國培養了大批化學生物學的專門人才，并在全國范圍內形成了從事化學生物學的穩定科研隊伍。

參 考 文 獻

［1］ J L Liu，H G Xia，M Kim et al． Cell ，2011，147: 223～ 234.

［2］ L M Sun，H Y Wang，Z G Wang et al． Cell，2012，148: 213～ 227.

［3］ T Wang，K S Chen，X M Zeng et al． Cell Stem Cell，2011，9: 575 ～ 587.

［4］ P Hou，Y Li，X Zhang et al． Science 2013，341: 651 ～654.

［5］ J J Tang，J G Li，W Qi et al． Cell MeTab． ，2011，13: 44 ～56.

［6］ W Wang，H Y Liu，S Wang et al． Cell Ｒes． ，2011，21: 730～ 740.