用化学手段探索生物学奥秘——访北京大学王初研究员

化学生物学，起源于上世纪90年代，是一个处于化学研究和生物学研究临界点的新兴的交叉学科。通过先进的化学手段，化学生物学研究为生命科学的探索提供一系列崭新的工具和研究方式，是推动生命科学、生物医药等发展的重要基础，也是目前化学和生命科学研究的热点领域。

北京大学化学与分子工程学院早在2001年就专门成立的化学生物学系，是国内最早开设相关研究机构的院系之一。以该系为核心基础，北京大学于2011年成立了跨学科实体研究中心合成与功能生物分子中心(SFBC)。经过数年的发展，SFBC已经成为享誉国内外的一流化学生物学中心。

近期，仪器信息网特别采访了北京大学化学分子工程学院化学生物系和合成与功能生物分子中心的特聘研究员王初。采访期间，王初研究员为我们介绍了他的研究工作，生动地展示了这个新兴交叉学科的魅力，以及质谱这一高精度仪器在化学生物学研究中所发挥的作用。

北京大学化学与分子工程学院化学生物系王初研究员

用化学技术揭示蛋白质功能

如何发展和应用化学技术探究和解决生物学问题，是化学生物学研究的大方向。围绕这一问题，化学生物学分为很多不同的分支。王初的课题组主要关注如何通过多种跨领域的技术和手段，发现和揭示复杂生命体系中蛋白质的新功能。王初介绍说，人类基因组计划，将人源蛋白质从原来已知的几百种扩充到庞大的两万种左右，而各种剪接及翻译后修饰使得蛋白质的形式更加复杂多样。这些不同蛋白质的剪接、修饰以及其在生命体中的分布，都对蛋白质的活性和功能具有不同的影响。蛋白质是生命现象的直接体现者，也是生命功能的主要执行者，因此研究这些新发现的蛋白质的活性与功能，将极大地促进阐明生命在生理或病理条件下的变化机制，并为药物开发及医疗手段研发提供依据。

传统的蛋白组学研究，通过质谱技术分析组织和细胞中蛋白质的组成和含量，即偏重蛋白质本身性质分析。而要研究蛋白质的功能及其变化，则需要引入更多的技术和方法，王初重点介绍了一种名为“基于活性的蛋白质组学分析”的技术(Activity-based Protein Profiling, ABPP)。他举例说到，生物体中存在很多蛋白酶，它们在体内经历着从最初没有活性到激活再到失去活性的过程，只会在特定的时候发挥作用。“当蛋白酶发挥作用的时候，从分子水平上看，它的活性催化中心一定会暴露出来。这样我们就可以有针对性地设计一种带有靶向反应基团的化学小分子——‘活性分子探针’，可以通过特定的化学反应和与活性中心的氨基酸残基共价连接起来。活性分子探针的另一端是一个富集标签(例如生物素)，这样活性分子探针就可以在蛋白酶的活性中心暴露出来发挥酶活作用的时候，在它上面添加一个小分子的标记，再通过富集标签将它们从整个复杂全蛋白质组体系中分离富集出来。进而通过生物大分子质谱技术进行鉴定，就可以大幅提升对这些功能蛋白酶鉴定的灵敏度。通过有针对性的探针设计，我们实现把具有不同类型催化中心的蛋白酶都‘抓’出来，而且这些被探针捕获的蛋白通常都是具有特定活性和功能的。” 王初说到，“我们把这种结合了化学探针标记和生物大分子质谱的功能蛋白质组学研究称为化学蛋白质组学。”

 这个方法推而广之，除了识别和发现特定类型的蛋白酶，还可以拓展到蛋白质翻译后修饰以及生物活性的小分子的作用靶标蛋白鉴定等领域。在这些方向，王初的课题组都做了大量的工作。例如，他们发展了蛋白质醛基化修饰捕捉探针，揭示了该修饰在细胞铁死亡中发挥的作用(J Am Chem Soc 2018. 140 (13), 4712-4720.);他们鉴定抗炎代谢物衣康酸在蛋白质组内的修饰位点，解析了衣康酸抗炎活性的分子机制(Nature chemical biology 2019. 15 (10), 983-991.);他们系统分析了内源代谢物胆酸的结合蛋白，为研究胆酸介导的生物学通路提供了丰富的线索(ACS central science 2017. 3 (5), 501-509.)。“化学蛋白质组学，可以帮助我们在非常复杂的生命体的环境下，把一些低丰度的、但有很重要功能的蛋白特定富集出来，这对于基础生物学研究有很大帮助。”

除了在基础科研领域发挥作用，化学蛋白质组学在生物医药研发、中药现代化研究中也发挥了非常重要的作用。王初提到，通过化学蛋白质组学的方法，其课题组鉴定了中药黄芩中的活性分子黄芩苷的分子靶标，揭示了该天然产物治疗肥胖、脂肪肝及其相关代谢疾病的分子机制 (Proc Natl Acad Sci U S A 2018. 115 (26), E5896-E5905.)。

思维碰撞，催生活体蛋白质激活技术

王初课题组另外一个重要的研究方向是计算蛋白质组学。“蛋白质组学领域的发展，离不开质谱等仪器技术、分析方法以及计算算法的同步发展。从事质谱，特别是组学研究的人都知道，‘计算’在其中的重要作用。”通过计算的方法，可以帮助科学家进一步挖掘数据，同时还可以指导对蛋白质新靶点、新功能的发现。王初课题组通过发展计算算法，深度扫描原始质谱数据中的特征同位素分布，极大地提高了对蛋白质组中硒蛋白鉴定的灵敏度( ACS central science 2018. 4 (8), 960-970.)。通过机器学习和人工智能，他们课题组发展了基于蛋白质一级序列预测蛋白质组内高活性半胱氨酸的计算算法(Biochemistry 2018. 57 (4), 451-460.)。最近，利用理论计算指导的蛋白质三维结构设计，王初的课题组与北大化学学院的陈鹏教授课题组进行了卓有成效的合作，发展了一种可以在活体内选择性激活目标的蛋白质的化学生物学新方法，相关成果2019年5月发表于国际顶级学术期刊《Nature》杂志上。

化学生物学除了发现新的活性位点之外，一个很重要的工作就是通过化学的方法对其功能进行调控。陈鹏课题组在通过化学方法对蛋白质功能进行调控方面做了非常出色的工作，发展了一套强大的化学生物学工具，即可以通过基因编码的方式，在活细胞中目标蛋白质的活性位点上插入某一种氨基酸，并在其侧链上加入一个“笼子”，从而使其失去活性;而通过加入小分子化学物质或者光照，使其进一步反应，将“笼子”脱掉，重新激活目标蛋白。这种 “活性脱笼”策略，可以通过对催化位点的氨基酸的化学保护和脱保护反应，实现对蛋白质活性“关-开”的调控。

王初回忆，这次合作起源于一次研究生的中期考核。“当时我参加考核的时候，陈鹏教授的学生分享了他们在活性脱笼方面的工作，最后他提到，这个技术有一些限制，就是目前只能应用在例如赖氨酸和酪氨酸少数几种氨基酸上。而由于细胞内蛋白质的种类繁多，当蛋白质的活性中心如果没有这类氨基酸时，活性脱笼这个技术就发挥不了作用了。想要发展更为普适性的蛋白质在体调控技术，就需要发展新的非天然氨基酸插入和正交脱笼技术，而这项工作具有非常大的挑战性，还一直没有得到突破。”考核结束后，王初与陈鹏教授就该问题进行了深入的讨论，最后大家共同提出一种新的思路—— 如果不是对活性位点进行直接的脱笼，而是在其它临近的底物结合位点插入氨基酸，将其与底物之间的结合阻断，同样也能达到抑制蛋白活性的效果，而脱笼后可以将蛋白质重新激活。该 “临近脱笼”策略摆脱了活性位点必须具有特定氨基酸的限制，可以大大提高该技术的适用范围。

蛋白质催化位点临近的结合位点繁多，将非天然氨基酸插入什么位置，可以获得最好的效果?王初课题组对目标蛋白质结构进行理论计算，模拟非天然氨基酸在不同位点插入和脱笼前后对蛋白质活性的影响，然后将通过筛选条件的位点推荐给陈鹏课题组进行实验验证。由此，两个课题组开始密切合作，将蛋白质理论计算与“非天然氨基酸脱笼”的技术相结合，成功发展了一种普适性的蛋白质功能在体激活新方法。王初表示，通过上述技术，我们就可以实现在细胞原位直接激活特定蛋白酶，从而通过蛋白质组学技术直接鉴定其下游酶切产物，对于生物学基础研究具有非常大的价值。同时，该技术也可以用来激活特定的蛋白质前药分子，具有较好的临床转化应用前景。他也表示，两个团队的合作目前还在继续合作，未来将会在该方法基础上进一步的扩展。“对于我们化学生物学家来说，更多的工作还是集中于发展技术和工具，但是我们一直希望，能够将这些工具用在解决具体的生物学或者临床医学问题上。”

质谱技术是鉴定蛋白质的不二之选

化学生物学作为一个交叉前沿学科，其研究也离不开作为科研基础工具的分析仪器。“工欲善其事，必先利其器。”化学生物学的研究主要是和蛋白质、核酸、糖和脂类等生物分子“打交道”，高精度的分析仪器，尤其是作为生物大分子定量、定性分析不二之选的质谱仪，对于工作的开展尤为重要。

王初提到，质谱在他的科研工作中发挥着至关重要的作用。2013年，他刚从国外回到北大开展独立研究工作的第一件事，就是拿出“青年千人”启动经费的很大一部分，购买了一台赛默飞的Q-Exactive质谱仪，这对于他之后开展化学生物学相关研究非常关键。不管前面设计多少不同的探针，在最后进行蛋白质分析的时候，都需要使用质谱仪来进行。高通量、高灵敏度的质谱，对于获得高质量的数据非常重要。

王初提到，在做探针标记的时候，不仅是标记到特定的蛋白，而且是标记到具体的氨基酸位点。因此得到探针在哪个蛋白的哪个氨基酸上发生反应的信息，可以更好地指导下游药物的设计或者蛋白质功能的研究。对此，课题组发展新方法，利用质谱实现位点特异性的化学蛋白质组学的检测。另外，他也提到，Q-Exactive这类基于Orbitrap的质谱仪除了可以进行高灵敏度的定性分析之外，还可以从事高精度的定量分析。通过在探针上引入同位素标记，最终在质谱上定量分析目标蛋白上的同位素标记的多少，可以反映探针与蛋白的相互作用强弱。“举例来说，药物分子在生命体中可能会与很多蛋白相互作用，但真正起作用的是药物分子浓度较低的时候，与它作用力最强的几个蛋白。将这些结合力强的蛋白通过探针捕捉出来，对药物研发非常重要。而这就需要质谱具有很精准的定量分析能力。”

而在最初购置了那台Q-Exactive质谱之后，王初课题组与合成与功能生物分子中的其他课题组开展了密切的合作，取得了多项重要的成果。为了满足更进一步的科研需求，在王初的提议下，合成与功能生物分子中心最近又陆续添置了两台赛默飞的Q Exactive Plus高分辨质谱。这些新购置的质谱仪器，对于整个中心研究团队科研研究的推动非常重要。“仪器对于科研非常关键，某种程度上来说，它的好坏决定了你的科研质量。”但是王初同时也表示，虽然仪器是必需的，但更重要的还是要提出好的科研想法和思路，最大地发挥这些仪器的功效。同时，他还提到，国外很多科学家与质谱仪器厂商共同合作开发新的方法或技术，这些对于质谱厂商和科学家保持科学和技术的前沿性都是非常有必要的，而相比而言，国内这类的合作研发工作开展的相对来说比较少。希望未来能够看到国内的科学家将在实际应用积累的一些技术、经验以及开发的算法等能够更多地反馈给仪器厂商，共同完成技术的革新。

交叉学科构建科研桥梁

交叉学科，作为连接两个不同领域的桥梁，对于现代科研工作至关重要。随着传统学科研究的不断深入，交叉学科将不同学科的成果跨界连接在一起，为科研创造出源源不断的新的思路和想法。而化学生物学，作为衔接化学和生物医学的新兴交叉学科，日益彰显生机勃勃的活力。

王初提到，他本科在中国科学技术大学学习生物学，在美国华盛顿大学攻读博士期间，师从美国科学院院士David Baker教授做计算机辅助蛋白质结构模拟与设计方面的研究，之后博士后期间又改换研究方向，在美国斯特里普斯研究所跟随美国科学院院士Benjamin Cravatt教授从事化学生物学研究，于2013年底回到北京大学化学学院开展独立研究工作，成为北大化学学院少有的几位非化学出身的课题组长。他在整个“跨界交叉”的科研经历中，接触和学习到了很多不同领域的知识，特别是此前在生物学领域的研究经验，让他更关注一些很重要的生物学问题。“我觉得，化学生物学发展的是化学工具和方法，但最终还是要真正落脚到解决具体的生物学、医药或者临床问题，这个领域需要不同背景、具有交叉思维的科学家的积极参与。”

“从化学生物学作为一个整体学科来说，目前国家对于这样的交叉学科的支持也十分明显。”王初表示。例如，2018年自然科学基金委在化学部里面做了一个试点改革，把很多原有的基金申请代码做了调整，将无机、有机、分析、物化、高分子等传统方向重新调整为催化与表界面化学、化学测量学、材料化学与能源化学等科学问题为导向分类。在这次调整中，化学生物学获得了一个独立的二级学科申请代码，其下又拓展划分了蛋白质化学生物学、核酸化学生物学、金属化学生物学、药物化学生物学等多个分支，充分体现了国家对化学和生物的交叉领域开展研究的强有力支持。

后记

在采访的最后，王初提到，他对于跨学科的合作研究非常感兴趣，不同学科背景在化学生物学的交叉大背景下，会不断创造新的科研火花。他也非常欢迎具有不同学科背景的学生和博士后加入课题组，充分释放自己的能力和思想， 一起发展新的化学方法和工具，探索生命的奥秘。前文中提到的黄芩苷的相关研究，就是毕业于上海中医药大学的戴建业博士在课题组做博士后时主导完成的工作，他本人现在已经在兰州大学药学院开展独立研究工作了。此外，王初课题组每周组会都有一起阅读和讨论前沿文献的习惯，三年前，他的博士研究生王浩博突发奇想，提议把大家选取和整理的前沿文献通过微信公众号“王初课题组”(见下图二维码)分享出去，通过这种“文献快闪”的方式，让更多的人关注化学生物学的最新研究成果。在课题组所有成员不断坚持和努力之下，目前该公众号成为国内化学生物学领域的热门账号之一，截止到2019年年底，总关注数已经超过12000人，欢迎大家持续的关注和支持。

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正如文中所说，技术的不断发展，为科研提供了新的“武器”。在后基因时代，多组学研究成为现代生命科学研究的最前沿。新的质谱技术不断涌现，加快了多组学研究的发展。 更多多组学解决方案：请点击图片查看。