从天然提取物到靶向小分子:SPR分子垂钓的筛选流程

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一条活性线索的起点

研究常常从一条模糊的线索开始。某份天然来源材料的提取物在初步评价里出现了值得追踪的信号,经初步分级之后,活性集中在其中一个组分中。此时研究者面对的问题非常具体:这个组分里究竟是谁在起作用?成分可能数以百计,逐一分离再评价的时间成本难以承受,而且微量成分很容易在层层纯化中损失。传统“先分后筛”的路子在这里显得被动,这正是分子垂钓准备介入的位置。

把目标蛋白放到第一道筛口

目标蛋白TNF(一类关键的信号蛋白)被重组表达、纯化后固定在传感芯片表面,粗提物中的目标组分直接作为样品流经芯片。凡是能与它形成物理接触的成分被选择性滞留,其余成分在流洗阶段离开。一次垂钓之后,混合物里真正“有资格”的分子就被物理地挑了出来,需要细看的范围从数百个成分收窄到个位数。这一步的筛选依据是物理结合,而不是体系是否表现出活性信号,因此几乎不受下游传递环节的干扰。

从混合组分到候选分子库

捕获下来的成分需要被说清身份。洗脱液进入高分辨四极杆飞行时间质谱(UPLC-QTOF/MS),结合全球天然产物社会分子网络(GNPS)做结构注释,团队据此完成质谱解析与定向分离,得到若干新化合物与一批已知化合物,构成一张候选分子清单。质谱给出的是精确质量与碎片信息,分子网络则把结构相近的成分聚成簇,帮助判断哪些信号来自同一骨架。这一步把“结合了”翻译成“结合的是哪个结构”,是整个链条中最依赖数据积累的环节。

构型确证这一步

结构解析之后还有一道坎。这类天然分子常带多个连续手性中心,常规波谱只能给出平面连接关系,绝对构型仍需另行确认。研究者以高分辨质谱、核磁共振与X射线晶体学处理基础骨架,再引入量子化学计算、MAEΔΔδ、CP3概率分析以及振动圆二色与电子圆二色光谱拟合,把实验化学位移与构象数据放在一起比对,最终锁定立体构型与特殊的笼状骨架。没有这一步,后续讨论分子与靶蛋白如何相互识别就缺少可靠的结构前提。

亲和力与作用模式的定量

候选清单需要靠定量数据排序。多浓度亲和力检测把结合强弱换算成平衡解离常数,其中一个分子的数值落在皮摩尔量级,即HPJ。进一步的验证组合包括药物亲和反应靶点稳定性、细胞热位移实验、蛋白交联与分子动力学模拟,结果显示它并没有直接阻断目标蛋白,而是稳定其非活性二聚体形态、干扰功能性三聚体的组装,结合自由能为−40.04 kcal/mol。这提示评价一个结合物时,“是否阻断”并不是唯一标准,稳定特定构象同样可能改变体系的走向。(图1)

证据链如何收敛

物理结合之外,还需要说明结合带来了什么。转录组层面,处理后变化最集中的是目标蛋白下游信号与应激相关应答网络;细胞层面观察到下游磷酸化水平与核转位的改变;两类应激相关动物模型中也出现了一致的组织学变化。动力学数据则显示,不同引入方式下的绝对生物利用度分别达到84.9%与56.2%。至此,从一条活性线索出发,证据链在分子、细胞与整体层面完成收敛,而支撑整条链条的第一环,就是把结合能力作为筛选条件的垂钓步骤。(图2)

文献DOI:10.1002/mco2.70960

(本文由达吉特整理相关文献资料。)

说明:本文为技术方法学分享,内容依据公开文献整理,所述化合物与试剂均限于实验室科研用途。