化学生物学（研究生命过程中化学基础的科学）

学科产生

Schreiber博士

Schultz博士

化学生物学、计算生物学与合成生物学，在生物芯片技术、计算模型方法与基因网络设计等方 面构成了现代系统生物学与系统遗传学的重要技术基础。

正向研究法

在正向法中，目标生物学现象第一次被定义，然后引起被寻找现象的分子选择自许多被应用的分子。被选择的分子能被附到某些蛋白质上而且抑制/活化它们，引发重要的修饰，然后与分子相连的蛋白质被检查并研究。下面是使用正向法发现和发展肌基质蛋白的例子。

首先，为了获得足量得化合物以引发要得到的现象，通过组合化学的合成方法制得嘌呤文库。多种化合物可与放射性研究引起的不同变异相比较。有关文库合成及应用在其它章节有详述。

已经分化的神经原细胞和肌肉细胞很少被增殖。因此，一旦受伤，细胞长不好，恢复很难。这项研究的最初目的是为了找到一种化合物来引起改变肌肉细胞分化，达到再生目的。分化的肌肉组织构成交织的管状结构。几百个嘌呤类化合物被在96孔圆片上植入潜伏肌肉组织中，找到了能够分离相连接的组织的化合物。这种化合物自肌管(myotube）隔断（severing）嘌呤（purine）命名为myoseverin（肌基质蛋白）。事实上，肌基质蛋白并不仅切断肌管分离细胞，而且洗涤化合物并添加必需的养分以帮助增殖。更令人激动的是如果增殖的细胞开始分化，它们又造出肌管。换言之，如果这种化合物被注入组织，一部分肌肉细胞就可期望再度生长并增殖，因而产生新的肌肉组织。

虽然发现能够诱导需要的现象的化合物是最重要的前步骤，对与化合物反应的目标蛋白质的细致检查然后理解其活性和角色才是真正的辛苦工作。如果需要的现象定义得好，是否存在活性化合物的研究结果可以在短时间内显示。

在肌基质蛋白的例子中，当细胞结构迅速改变时，预计细胞结构的构建蛋白质受到进攻，可以使用带有荧光标记的抗体观察细胞图像。然后是染色的肌球蛋白，它是体细胞的重要组成部分。绿色的是肌球蛋白，蓝色的是核。

肌基质蛋白处理前后的差异是显而易见的。在肌基质蛋白处理之前，细胞被统一连接，但是处理后，可以看到细胞相互分离。然而，是否肌球蛋白是目标蛋白质还不能确定。一些骨骼蛋白质是染色了的但是结果是相似的。可是，当使用微管蛋白使微管染色的时候，却得到了有趣的数据。同样，绿色是微管蛋白，蓝色是核。

在被肌基质蛋白处理之前，与先前的照片类似，细胞与微管紧密相连，但是以肌基质蛋白处理过的细胞表现出破裂的微管。因此，一般猜测肌基质蛋白直接的或间接的攻击微管蛋白或微管。微管是个管形结构，含有a，b微管蛋白组合，它参与了支持细胞结构和染色体运动。

正向法和逆向法

根据以前的经验，已证明微管蛋白在体外被肌基质蛋白进攻，但是在体内怎么样呢？为了寻找具有生物活性的分子与之成键的蛋白质，普通大小的固相树脂被用于活性分子的亲和力矩阵，然后蛋白质被钓出。肌基质蛋白上被加以连接分子，然后与固相树脂相连做成钓索。然后浸入细胞质混合物一段时间，蛋白质与树脂相连并被分析。然而，由于肌基质蛋白的活性和蛋白质合成现在被中止，这项工作不容易。这是化学生物学方法中众所周知的问题。

在肌基质蛋白的例子中，如果不是使用连接分子与树脂相连，叫做链霉抗生素蛋白（Streptavidin）的生物素与蛋白质强烈成键，一种强活性官能团的亲核分子。这种方法的优点是引入了亲和分子，简单的将其插入活细胞内就可与目标蛋白质成键，而不是把细胞研碎而混合蛋白质。如果目标蛋白质与分子成键，化学活性基团将以共价键与蛋白质的亲核部分结合，因而可以通过生物素使链霉抗生素蛋白体与目标蛋白质成键。已证明实验后体内微管蛋白与亲和分子成键。

综上所述，由筛选系统发现的肌基质蛋白使得已分化的肌细胞再生成为可能，已证明微管蛋白引起了这种现象。与经典遗传学相比，人们可以掌握出现的目标基因并甚至得到控制目标蛋白质活性的小分子开关。这种肌基质蛋白，在经过实验后，可被用作新的药物候选者。

逆向研究法

综述

在逆向法中，目标蛋白质受到化学物质进攻，首先被分类，然后可以通过观察插入相关化学物时的结果作用来分析目标蛋白质的体外功能。这里有一个这种方法的实例：purvalanol的发展和应用。

目标蛋白质

细胞周期和CDK

CDK的发展

以正向法制得的嘌呤文库被用于在纯净的CDK1和CDK2上筛选酶抑制剂。之所以使用嘌呤是为了让嘌呤类物质通过辅酶与ATP竞争结合位点。为了加速筛选过程，通过使用放射性标记的ATP和组蛋白在96圆片上使酶活化，然后测量磷酸基自用硝基纤维素滤纸过滤出的蛋白质转移到组蛋白这过程中的所有的放射性。由olomocine起始，(IC507mM），几步重复之后我们得到约1000倍活化的purvalanol系列化合物。这些化合物同等程度抑制CDK1和CDK2。这是因为两种酶都是通过非常相似的路线建立起来的，它们的ATP结合位点也相似。

Purvalanol作用

如果CDK1和2被抑制，将有什么发生呢？由于众所周知的事实，这些酶在有丝分裂的每一步都扮演了重要角色，研究的第一步就是观察对易于观测有丝分裂的青蛙卵提取物的作用。在这个实验中，注入激素以诱发更多排卵，从卵中提取出必要的物质。当植入从青蛙精子提取的DNA时，卵细胞误识其为受精，并模仿细胞分裂。通过控制中期（metaphase)Ca的数量可以中止细胞分裂。卵细胞对这个实验非常有用，因为它们含有大量的蛋白质。为了使图片清晰，核DNA染成蓝色而微管蛋白染成红色。在正常阶段，DNA折叠以形成染色体并排成一行。然后微管连到其上将其分到两边。但是，如果在这个阶段加入purvalanol，DNA不会完全折叠，微管就找不到它们的连接位点。这应该是进攻了G2到M的步骤。可以说，对CDK1的抑制强于CDK2。另外，如果肌基质蛋白同时被加入，DNA一点也不折叠，而且微管结构完全消失。这可能是G2阶段后紧随的M阶段的微管受到进攻。

成键的确认

体内微管蛋白

另一方面，（A）和（B）柱吸附的蛋白质被过滤而且以阴离子洗涤剂十二烷基磺酸钠(SDS）处理，然后通过聚丙烯酰胺凝胶电泳分离。两柱都吸附的蛋白质被忽略，考虑到它们在柱子上随机附着，或者通常与嘌呤结构成键，只有亲合性柱吸附的蛋白质被证实是CDK1。

其它作用

亲和性的肌基质蛋白分子

基因表达

尽管99%的人类基因组序列已经发现，还有1%的工作要做，下一步最重要的工作却是找出基因的功能。从研究基因结构和表达入手来解释物种特征是遗传学的工作。经典遗传学在研究基因表达上有两种方法；一种是正向法（forward approach）另一种是逆向法（reverse approach）。估计正向法的命名是由于先锋遗传学家们尝试猜想究竟哪个基因对一个性状产生影响并引用分子遗传学来证实。而逆向法得名于采用不同的方法寻找DNA标记点和性状之间的联系，无需知道疾病起因。

在正向法中从遗传疾病患者或者由X光照射引起突变的基因中选择出非正常性状，然后寻找基因和性状之间的联系。由于发现X光照射能引起突变，Hermann Joseph Muller获得了1946年诺贝尔医学及生理学奖。

基因可以通过敲除（Knockout）而删除或者超量表达（Overexpression）而增加。在逆向法中采用了基因工程技术，通过分析改变特定基因而引起的性状改变来发现基因的表达和活动。然而有时由于一些基因的活动被其他蛋白质删除后的补偿作用所替代，性状改变难以观测甚至被忽略掉。同时，由于性状改变有可能是由于蛋白质异常活动的第二或第三重影响，虽然这种性状改变可以观测，慎重的确认过程仍是需要的。改性基因的诱导作用通常不断积累，证据就是在足够的观察之前胚胎发育并可能杀死该生物。如果基因在生长中有不同的作用，这种基因是不适合研究的。

因此有时观察特征修饰时特定基因表达被暂时抑制。这时，反义低聚物和能与mRNA反应并阻止蛋白质合成的RNAi被成功使用。

反义低聚物

RNAi(RNA介入）是一个双链RNA，一链具有与目标mRNA相同的序列和强抑制作用。RNAi最早于1995年在C-elegans中的反义低聚物实验时被偶然发现。一般发现义和反义混合物较反义本身表现出对为mRNA更强的抑制作用。进一步的研究证实不足量的双链足以完全抑制，而且表现出对序列的特定倍增。也已知它不但抑制蛋白质合成，而且mRNA本身的量也在几小时内减少。虽然精确的机理仍然不甚了解，但是对抗病毒或转位子的天然防御机制是其发生作用的一个模型。由于双链RNA在我们体内不多，一旦被发现就被自我防御机制视为异体，比如RNaseH。这样的21-23mer的碎片被解链酶分为单链。单链将与mRNA结合，形成更多的双链，这就进入了倍增循环。

蛋白质研究

化学生物学使用的大多数协议使用将小分子与天然蛋白质成键然后控制它们的方法。然而，当目标蛋白质在大的官能团中存在的时候，选择性的控制每个蛋白质非常困难。激酶(Kinase）在体内是一种使用ATP作磷酸化蛋白质及其它底物的辅助因子的酶。蛋白质磷酸化，是重要的信号传递系统的开关，指导蛋白质结构的修饰。当生长因子或激素绑到一个细胞表面上的受体时，多种激酶逐渐活化，信号被传输。有时，一种激酶通过磷酸化活化另一种。因此，如果我们能将某个激酶磷酸化特定蛋白质的途径做成谱图，这将为解释细胞与细胞表面受体结合后细胞内信号如何传递提供重要线索。一个研究方法是在存在以放射性标记磷酸基的ATP给出的信号同时，检测蛋白质与放射性标记的P成的键。虽然如此，因为已经知道人体内存在数以千计的激酶，找出每种激酶的功能并不容易，因为它们有可能是逐步活化的，也可能是平行的。

微管蛋白（Tubulin）和微管（Microtubule)

另一方面，合成仅与游离的修饰后的ATP成键的选择性抑制剂不是很困难，可以在不影响其它激酶的条件下研究有关的激酶的抑制。这证明了从天然的蛋白质的经结构修饰得到的人造蛋白质，能通过人造ATP维持生物活性。这种方法代表了一个新的研究方向，不仅是蛋白质信号传递研究的，而且是整个生物学化学研究的。

本科专业介绍

化学生物学（代码：070303）属于理学大类，化学类。

化学生物学以生物无机化学、生物分析化学、生物有机化学、生物化学、化学信息学、生物物理化学和仿生高分子材料为研究方向、发展方向，培养具有良好的科学素质，掌握化学基础理论、基本知识和基本技能，并得到应用研究、科技开发、科技管理初步训练的专门人才。

化学生物学主要学习化学与生物科学的基本理论、基本知识和实验、应用技能，受到基础研究和应用基础研究方面的科学思维和科学实验训练，具备应用研究、技术开发和科技管理的基本技能。

本专业主要培养具有坚实的化学与生物学基础知识和较广泛的化学生物学交叉领域的知识，具有熟练的化学与相关生物学实验技能，创新意识强，综合素质高，能在化学生物学、化学、生命、医药、材料、化工、环保等相关领域从事教学、科研、技术开发及管理工作的复合型应用人才。

通过学习，将具备了以下几方面的能力：

1、掌握数学、物理、计算机等方面的基本理论与知识；

2、掌握无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、普通生物学、遗传学、微生物学、生物化学、细胞生物学等学科知识；

3、了解相近专业如化工与制药、环境科学专业的一般原理和知识；

4、了解国家关于科学技术、化学生物相关产业、知识产权等方面的政策、法规；

5、了解化学生物学的理论前沿、应用前景、最新发展动态，以及化学生物学相关产业发展状态；

6、掌握化学生物学领域中外文资料查询、文献检索以及运用计算机等现代技术获取相关信息的基本能力；

7、具有一定的实验设计及创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文；

8、掌握一门外国语，具备较强的读、写、听、说（“四会”）能力，参与学术交流的能力。

无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学、生物无机化学、生物有机化学、仪器分析、高分子化学、细胞生物学、生物化学、分子生物学、生物信息学导论、化学生物学、化学工程基础及化工制图等。化学基础实验、生物化学实验、化学生物学综合实验。

本专业的授课方式有三方面的特点，一是注重基础，即专业基础课程（包括理论课和实验课）；二是强化交叉，重视化学学科和生物学学科的交叉渗透，学习利用化学的理论、研究方法和手段来探索生物问题；三是加强实践教学，有专业基础课的相关实验课，包括基础化学实验、普通生物学实验、遗传学基础实验、微生物学实验、细胞生物学实验、生物化学实验，以及学习实践，包括生产实习、毕业论文等，一般安排10一20周。

化学（070301）、应用化学（070302）、分子科学与工程（070304）。

蛋白质研究

清华大学（10003）、厦门大学（10384）、西北大学（10697）、西北农林科技大学（10712）、中山大学（10558）、南开大学（10055）、南京大学（10284）、北京大学（10001）、华南理工大学（10561）、安徽工业大学（10360）、天津师范大学（10065）、四川农业大学（10626）、中南民族大学（10524）、湖北大学（10512）、三峡大学（11075）、衡阳师范学院（10546）等。