化学生物学导论-雷晓光-PPT.ppt

北京大学北京大学 北大北大-清华清华 生命科学联合研究中心生命科学联合研究中心化学生物学导论化学生物学导论 1大家好一一.化学生物学概述化学生物学概述二二.细胞死亡的化学生物学研究细胞死亡的化学生物学研究2大家好个人教育与工作经历个人教育与工作经历教育背景：教育背景：2001200120062006美国波士顿大学美国波士顿大学博士（有机化学与化学生物学）博士（有机化学与化学生物学）导师：导师：Prof.John Porco Prof.John Porco 1997199720012001北京大学北京大学学士（化学）学士（化学）导师：王剑波导师：王剑波 教授教授工作经历：工作经历：20142014现在现在 北大北大-清华生命中心清华生命中心 高级研究员高级研究员20142014现在现在 北京大学北京大学 化学学院化学学院 教授教授200820082014 2014 北京生命科学研究所北京生命科学研究所 研究员，高级研究员研究员，高级研究员200820082014 2014 天津大学天津大学 药学院药学院 副教授，教授副教授，教授2006200620082008美国哥伦比亚大学美国哥伦比亚大学博士后（生物有机化学）博士后（生物有机化学）合作导师：合作导师：Prof.Samuel DanishefskyProf.Samuel Danishefsky3大家好一一.化学生物学概述化学生物学概述二二.细胞死亡的化学生物学研究细胞死亡的化学生物学研究4大家好生命化学医学提供生命研究的化学技术提供生命研究的化学技术发展生命调控的化学方法发展生命调控的化学方法揭示生命运动的化学本质揭示生命运动的化学本质 化学生物学 什么是化学生物学什么是化学生物学5大家好Nat.Chem.Biol.2005,1,3.“In our view,chemical biology focuses on understanding biological systems at the molecular level and using these mechanistic insights to expand chemistry and biology in new directions”.Nat.Chem.Biol.2005,1,64.Stuart Schreiber“Chemical Biology provides the missing small-molecule piece of the central dogma.Chemical Biologists make both small and large“small molecules”,and they use them to illuminate the principles that underlie life.”6大家好ChemBioChem 2009,10,16-29“Chemical biologyas the name suggests-employs the methods and techniques of chemistry for the study of biological phenomena.Herbert Waldmann:“Chemical biologyas the name suggests-employs the methods and techniques of chemistry for the study of biological phenomena.J.Biol.Chem.2010,285,11031-11032.“Chemical biology is a scientific discipline spanning the fields of chemistry and biology that involves the application of chemical techniques and tools,often compounds produced through synthetic chemistry,to the study and manipulation of biological systems.”7大家好化学生物学是一门利用外源的化学物质、化学方法或途径，在分子层面上对生命体系进行精准和动态的修饰、调控和阐释的科学。8大家好化学生物学与生物化学的区别核心思想：外源化学核心工具：化学探针核心任务：分子精度核心目标：揭示生命本质并服务于化学9大家好(1996)(1996)化学生物学出现的标志化学生物学出现的标志-专门研究机构专门研究机构NO特殊生理活性发现特殊生理活性发现（1774年年,Joseph Priestly）10大家好1994年创刊年创刊1997年创刊年创刊2001年创刊年创刊2008年创刊年创刊(Elsevier)(Springer)化学生物学出现的标志化学生物学出现的标志-专门学术刊物专门学术刊物(cell)11大家好2004*年创刊年创刊2000年创刊年创刊2006年创刊年创刊(Wiley)化学生物学出现的标志化学生物学出现的标志-专门学术刊物专门学术刊物2005年创刊年创刊12大家好2006年创刊年创刊2004年创刊年创刊2005年创刊年创刊 化学生物学出现的标志化学生物学出现的标志-专门学术刊物专门学术刊物(Royal Society)2005年创刊年创刊13大家好什么是化学生物学主要研究方向国际发展与资助情况我国发展与资助情况14大家好Stuart SchreiberCarolyn BertozziPeter Schultz利用外源物质（小分子探针）研究生命体系利用外源物质（小分子探针）研究生命体系化学小分子化学小分子 蛋白质靶标蛋白质靶标为生命科学研究提供全新的方法和手段为生命科学研究提供全新的方法和手段15 国际发展与资助情况国际发展与资助情况15大家好M.Bucci,C.Goodman,T.L.Sheppard 化学生物学近代典型研究工作化学生物学近代典型研究工作“A decade of chemical biology”Nat.Chem.Biol.2010,6(12),847-854.16大家好Methods of the YearMethods of the Year 2010-2013,Nature Method2010-2013,Nature Method 化学生物学近代典型研究工作化学生物学近代典型研究工作201020112012201317大家好NSF:National Science Foundation NIH:National Institute of Health DOE:Department of Energy 美国NIH Directors New Innovator Program重点资助的研究方向重点资助的研究方向18大家好生物医学路线图计划生物医学路线图计划(NIH Roadmap for Medical Research)NIH Roadmap资助的小分子筛选中心网络资助的小分子筛选中心网络 分子库和成像计划分子库和成像计划(Molecular Libraries and Imaging,MLI)19大家好美国的化学生物学高水准研究单位：美国的化学生物学高水准研究单位：20大家好 支持化学生物学研究的基金机构支持化学生物学研究的基金机构:EPSRC:Engineering and Physical Sciences Research Council(英国工程和自然科学研究委员会)BBSRC:Biotechnology and Biological Sciences Research(英国生物技术与生物科学研究理事会)MRC:Medical Research Council(英国医学研究理事会)Royal Society(Fellowships)(英国皇家学会).Wellcome Trust,Cancer Research UK,EU funding,Leverhulme TrustDecember 03,2013英国21大家好英英国国伦伦敦敦皇皇家家学学院院、肿肿瘤瘤研研究究所所等等单单位位联联合合组组建建了了化化学学生生物物学学（）研研究究中中心心，从从事事生生物物膜膜的的结结构构与与功功能能研研究。究。化学生物学和生物化学的资助比例（化学生物学和生物化学的资助比例（A）参与这些研究的学生人数比例（）参与这些研究的学生人数比例（B）EPSRC（2008）22大家好德国合作研究中心（合作研究中心（CRC）目前获目前获DFG资助的多个资助的多个CRC中心都是在化学与生中心都是在化学与生物学的交叉界面上开展研究工作，化学生物学是物学的交叉界面上开展研究工作，化学生物学是其主要的研究领域之一。其主要的研究领域之一。德国科学基金会（德国科学基金会（DFG）23大家好日本日本学术振兴会（日本学术振兴会（JSPS）24大家好什么是化学生物学主要研究方向国际发展与资助情况我国发展与资助情况25大家好2003年年 化学二处设立了化学生物学学科化学二处设立了化学生物学学科2005年年 生物有机与化学生物学学科代码生物有机与化学生物学学科代码 B02072013年年 化学生物学学科代码化学生物学学科代码B0212学科建设情况（国家自然科学基金委员会）学科建设情况（国家自然科学基金委员会）我国发展与资助情况我国发展与资助情况26大家好基金资助引领化学生物学发展基金资助引领化学生物学发展8080年代初年代初 攀登计划攀登计划“生命过程中的化学问题生命过程中的化学问题”九五计划九五计划 化学与生命科学交叉的重大项目化学与生命科学交叉的重大项目5 5项项 十五计划十五计划 化学与生命科学交叉的重点项目化学与生命科学交叉的重点项目3232项项2003-20052003-2005 化学与生命科学交叉的重大国际合作化学与生命科学交叉的重大国际合作 (8 (8项项,60-95,60-95万万/项项)2004-20062004-2006 健康领域的交叉面上项目健康领域的交叉面上项目 (2000(2000万万/年年)2007-20152007-2015 重大研究计划重大研究计划“基于化学小分子探针的基于化学小分子探针的 信号转导过程研究信号转导过程研究”（2000020000万）万）27大家好北京大学北京大学清华大学清华大学中国科学院生物中国科学院生物物理研究所物理研究所武汉大学武汉大学华中师范大学华中师范大学中国科学院上海中国科学院上海有机化学研究所有机化学研究所中国科学院上海中国科学院上海药物化学研究所药物化学研究所四川大学四川大学中国科学院成都中国科学院成都生物化学研究所生物化学研究所化学生物学研究机构分布化学生物学研究机构分布28大家好什么是化学生物学主要研究方向国际发展与资助情况我国发展与资助情况29大家好 主要研究方向主要研究方向30大家好（1）分子探针分子探针31大家好Nature Chemical BiologyNature Chemical Biology关于关于“化学探针化学探针”与与“药物药物”区别的总结区别的总结32大家好（2）生物分子的化学合成与标记生物分子的化学合成与标记33大家好（3）生物相容反应的发展及应用生物相容反应的发展及应用34大家好（4）化学遗传学化学遗传学35大家好（5）生物合成生物合成化学化学36大家好（6）药物发现的药物发现的化学生物学化学生物学37大家好（7）应用应用化学生物学化学生物学38大家好（8）新方法、新理论及应用新方法、新理论及应用39大家好一一.化学生物学概述化学生物学概述二二.细胞死亡的化学生物学研究细胞死亡的化学生物学研究40大家好活性化学小活性化学小分子探针分子探针基础生命科基础生命科学研究学研究转化医学转化医学创新药物研究创新药物研究发现发现 制备制备评价评价研究背景：利用活性小分子探索化学与生物医学交叉研究背景：利用活性小分子探索化学与生物医学交叉41大家好研究策略研究策略细胞死亡的细胞死亡的小分子化学调控小分子化学调控高通量筛选高通量筛选化学遗传学化学遗传学活性天然产物活性天然产物导向的化学导向的化学生物学生物学通过天然产合成化学、化学遗传学、分子生物学等多学科交叉，利用活性小分子研究细胞死亡的生物作用机制和调控方法Nat.Chem.Biol.2015,under reviewNat.Chem.Biol.2013,9,84-89Cell 2012,148,213-227Cell Res.2010,20,1289-1305Nat.Commun.2015,6,6522Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,1011-1015Nat.Commun.2014,5,4614Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,12111-12115Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,9257-9261J.Am.Chem.Soc.2013,135,4996-4999J.Am.Chem.Soc.2012,134,12414-12417Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,491-49542大家好研究背景：经典的细胞死亡途径（细胞凋亡和坏死）研究背景：经典的细胞死亡途径（细胞凋亡和坏死）细胞凋亡细胞凋亡(apoptosis)细胞坏死细胞坏死(necrosis)细胞死亡的分子作用机制和调控方法细胞死亡的分子作用机制和调控方法科学难点：调控基因致命性，信号转导通路复杂科学难点：调控基因致命性，信号转导通路复杂研究现状：经典生物遗传学无法阐明所有未知生物同路；研究现状：经典生物遗传学无法阐明所有未知生物同路；高效，可视，可控，定量化的化学方法亟待发展高效，可视，可控，定量化的化学方法亟待发展43大家好Hallmarks of CancersHanahan and Weinberg Cell 2011,144,64644大家好Amyotrophic lateral sclerosis(ALS)-肌萎缩侧索硬化症45大家好Extrinsic Pathways for Programmed Cell DeathOur aims:using small molecules to dissect and modulate cell death!necroptosis46大家好Forward chemical-genetics includes screening exogenous ligands with a cell-based assay,selecting a ligand that shows a phenotype of interest,and identifying the protein target(s)of this ligand.Reverse chemical-genetics includes overexpressing a protein of interest,screening for a chemical ligand for the protein,and using the ligand to determine the phenotypic consequences of altering the function of this protein in a cellular context.Chemical Genetics Using Small Molecules47大家好Advantages of Chemical GeneticsChemical genetic tools are more effective for studying essential genes or transient processes and in most part,feasible in the system most relevant to human health.Chemical genetic approach using small molecules is complementary to the classic genetic methods,because these small molecules act conditionally and rapidly,and can directly target the genes protein product.They can also hit on several proteins simultaneously,and can be used in a combination for multiple pathways in cultured human cells.In addition,if a study relates to human disease,a small molecule may also serve as a lead compound for drug development.48大家好Beckman FX,ORCA Optimized Robot,Microplate Carousel and Paradigm Detection Platform49大家好Development of a Robust Bioassay for High-throughput Screening(HTS)Taking advantage of the robustness of necrosis induced by the combina-tional treatment of TNF-a,Smac mimetic,and z-VAD-fmk,We screened a chemical library of 200,000 for compounds that block necrosis Cell-based assay for screening inhibitors of necrosis.HT-29 cell was pre-treated with DMSO or positive control necrostatin-1(Nec-1)for 1 hour,followed by the treatment of DMSO alone or TNFa/Smac mimetic/z-VAD for additional 72 hours.Cell viability was determined by measuring ATP level using cell-titer glo assay(Promega)Yuan et al,Nat.Chem.Biol.2008,31350大家好Identification of Hit 14 from HTS51大家好Synthetic Plan for Structural Modifications of Hit52大家好Substitution at R1by methylis preferred,by propargyl,benzyl or hydrogen reducethe activity.Substitution at R2 by H is preferred,by Br or alkyl littlereduce the activity.Double bond is criticalfor the activityReplaced by pyrimidine little reduces the activity.2-NO2 thiophene is indispensable,3-NO2 thiophene reduces activity，2-Br thiophene is inactive Furan ring reduces activity,and increased toxicity,other nitro-substitutedaromatic ring also reduces activitySAR Studies of the Hit Compound53大家好Necrosulfonamide(NSA)and Its Negative Analogs54大家好The Effects of Necrostatin-1 and Necrosulfonamide(NSA)on RIP355大家好The Effect of Necrosulfonamide(NSA)on the RIP1/RIP3 Interaction56大家好Identification of the Mixed Lineage Kinase Domain-like Protein(MLKL)as a Necrosome Component57大家好Evaluation of MLKL as a Valid Target for Necrosis1.Is MLKL critical for necrotic pathway?2.Is MLKL the cellular target for necrosulfonamide(NSA)?We plan to use NSA-based chemical probes to address this question!58大家好Insertion of a long,rigid polyproline helix between a small-molecule bait and a biotin tag boosts the capacity of affinity purification and thereby allows for the isolation of low-abundance or low-affinity proteins.J.Am.Chem.Soc.2007,129,873-880Design of the Chemical Probe59大家好Synthesis of the Key Intermediates60大家好Synthesis of the Chemical Probes61大家好Identification of the Target Protein through Pull-down Experiment62大家好Identification of MLKL as the Cellular Target of Necrosulfonamide(NSA)63大家好Identification of Cys86 of MLKL as the Necrosulfonamide-binding Residue64大家好利用活性小分子发现全新的细胞坏死分子作用机制利用活性小分子发现全新的细胞坏死分子作用机制Sun,L.;Wang,H.;Wang,Z.;He,S.;Chen,S.;Liao,D.;Wang,L.;Yan,J.;Liu,W.;Lei,X.*;Wang,X.*Cell 2012,148,213-227.（2012-2014,被引用被引用253次）次）高通量筛选高通量筛选药物化学药物化学化学探针化学探针化学遗传学化学遗传学MLKL蛋白蛋白全新的程序性细胞坏死机制全新的程序性细胞坏死机制65大家好开发出第一个死亡受体开发出第一个死亡受体DR5的小分子激动剂的小分子激动剂Wang,G.*;Wang,X.;Yu,H.;Wei,S.;Williams,N.;Holmes,D.L.;Halfmann,R.;Naidoo,J.;Wang,L.;Li,L.;Chen,S.;Harran,P.;Lei,X.*;Wang,X.*Nat.Chem.Biol.2013,9,84-89特异性激活死亡受体特异性激活死亡受体DR5，促进肿瘤细胞凋亡，促进肿瘤细胞凋亡66大家好NEMONEMOIKKIKKb bIKKIKKa aI IK KK K C Co ommp pl le ex xAdaptor Adaptor ComplexComplexLigandLigandP PP PI Ik kB Ba aC Cy yt to op pl la as smmN Nu uc cl le eu us sTranscriptionTranscriptionDNADNAk kB B-sitesiteReceptorReceptorNF-NF-k kB B揭示活性天然产物的全新生物作用机制揭示活性天然产物的全新生物作用机制创新点：创新点：1.1.首首次次揭揭示示了了天天然然产产物物Ainsliadimer Ainsliadimer A A的的生生物物作作用靶点为用靶点为IKKIKK蛋白蛋白;2.2.证证明明该该天天然然产产物物的的促促进进肿肿瘤瘤细细胞胞凋凋亡亡功功能能是是通通过过一一个个全全新新的的变变构构抑抑制制作作用用机制实现的。机制实现的。Dong,T.;Li,C.;Wang,X.;Dian,L.;Zhang,X.;Li,L.;Chen,S.;Cao,R.;Li,L.;Huang,N.;He,S.*;Lei,X.*Nature Commun.2015,6,6522.67大家好利用化学生物学手段揭示细胞死亡的分子作用机制和调控方法利用化学生物学手段揭示细胞死亡的分子作用机制和调控方法Our aims:using small molecules to dissect and modulate cell death!Nat.Commun.2015,6,6522 Nat.Chem.Biol.2013,9,84-89 68大家好Lei Group 2015联系方式：Email:Telephone:Office：化学学院A52469大家好谢谢70大家好