在过去的二十年里，大量的基因研究已经将成千上万的DNA变异与成千上万的人类特征和疾病联系起来。然而，由于缺乏精确的分子工具，纠正这些变异对治疗疾病的影响一直受到阻碍。
麻省理工学院博德研究所、哈佛大学、麻省总医院和哈佛大学的研究人员采用了一种新的方法，建立了一个非常多样化的分子化合物集合，可以以新的方式挖掘那些针对疾病相关基因变异的分子化合物。由于创新的化学方法，该文库包含了超过300万种化合物，这些化合物被设计成将两种蛋白质结合在一起，并使用一种作为屏障来稳定另一种并逆转其与疾病相关的影响。
从他们的文库中，研究小组发现了一种化合物，它可以靶向一些克罗恩病患者体内改变的蛋白质，并表明它可以逆转这种变异对细胞的有害影响。这种方法可能用于招募具有其他功能作用的蛋白质，或仅在某些细胞类型或组织中靶向疾病风险因素。
这项新研究发表在《Cell Chemical Biology》杂志上。
“小分子化学的进步给了我们一个真正的机会，让我们能够找到精确的方法来纠正、修改或激活基因变异，”Ramnik Xavier说，他是Broad研究所的核心成员、免疫学项目主任、传染病和微生物组项目联合主任。“在这项研究中，我们已经建立了对这种克罗恩病变体的机制理解，以产生一个强大的化学工具箱来纠正这种变体，同时保持基因的功能。”
Xavier也是哈佛医学院和马萨诸塞州总医院的教授，他与共同资深作者Stuart Schreiber （Broad的创始核心研究所荣誉成员）和第一作者Zher Yin Tan（哈佛大学化学与化学生物学系的研究生，师从Schreiber和Xavier）一起领导了这项工作。
在寻找以新方式改变疾病相关蛋白质的化合物的过程中，研究人员开发了所谓的接近化学诱导剂，即CIPs，其中包括分子胶和双功能化合物。这些化合物将细胞中两种通常不会相互发现的蛋白质结合在一起——一种是“目标”蛋白质（通常是在疾病中发生改变的蛋白质），另一种是对目标有一定影响的“呈现”蛋白质。到目前为止，大多数CIP文库都旨在触发功能失调的蛋白质被细胞自身的废物处理机制降解，从而减少其致病作用。
在这项新研究中，研究人员的目标是建立一个多样化的潜在CIPs库，这些CIPs可以做一些除了降解目标蛋白质之外的事情。对于他们的呈递蛋白，他们选择了FKBP12，这是一种在人类细胞中丰富的蛋白质。研究小组假设，当与CIP结合时，FKBP12可能会作为一个屏障，保护目标蛋白免受酶的破坏，从而有效地稳定它。对于一些与疾病相关的蛋白质，这可能足以恢复它们的正常功能，作为一种治疗疾病的方法。
该团队的目标是通过生成大量可能识别和结合目标蛋白质的分子成分，来覆盖尽可能多的“化学空间”。每种化合物还包括一个结合FKBP12的基序，因此它可以被招募到靶标上。此外，他们给每种化合物附加了一个独特的DNA条形码——这样的“DNA编码文库”允许研究人员在一个单一的实验屏幕上有效地收集数百万到数十亿的化合物。该团队还探索了各种连接元件，将每个化合物的成分连接在一起，使用不同角度和长度的刚性连接件，而不是以前CIP库中使用的长而软的链连接件。
通过不同连接体和靶标结合元件的不同组合，该团队生成了一个CIPs DNA编码文库（CIP-DEL库），其中包含超过300万种招募FKBP12的独特化合物。为了证明他们的文库在发现有用的新CIP方面的潜力，他们瞄准了一种与克罗恩病风险相关的基因变异ATG16L1 T300A。ATG16L1基因的一个作用是促进自噬，这是一个从细胞中清除有害细菌和废物的关键过程。Xavier实验室十年的工作表明，该基因的ATG16L1 T300A变体会损害自噬，因为它编码的蛋白质更容易被caspase-3酶切割。因此，研究小组认为，用CIP保护蛋白质免受切割可以帮助恢复自噬，使细胞恢复到健康状态。
在实验筛选中，研究小组发现了一种与ATG16L1蛋白变体相互作用的化合物。通过在人类和小鼠细胞中的进一步测试，他们发现它稳定了蛋白质，保护它免受caspase-3的切割，并在不影响caspase-3活性的情况下逆转自噬和其他细胞过程的损伤，caspase-3在整个人体细胞中起着其他关键作用。
“分子胶、DNA编码文库和化学蛋白质组学等新的化学方法有很大的潜力，”Xavier说。“当与人类遗传学和深刻的机制理解相结合时，它们为我们提供了追求潜在的新治疗策略的创新方法。”
研究人员的下一步目标是开发一种能在动物模型中起作用的化合物，这样他们就可以进一步探索治疗的机会。他们还希望看到其他人定制CIP-DEL库，以针对不同的疾病变体，并招募具有其他功能的递呈蛋白，例如破坏蛋白质相互作用或细胞内信号通路。通过选择仅存在于特定细胞类型中的递呈蛋白，一个信息库可以揭示出CIP，这些CIPs通过仅改变受疾病影响的组织中的细胞而不是整个身体中的细胞，从而更加精确地发挥作用。
“我们的方法是一个即插即用的系统，”Tan说。“根据你想要追求的疾病和分子机制，你可以设计一个独特的文库来找到你正在寻找的化合物类型。我们有更多的化学领域要覆盖，我们希望为治疗工具箱做出贡献，带来干预人类疾病的新方法。”
