基于化學遺傳學的天然產物的發現

　　一.化學遺傳學：

　　化學遺傳學的研究歷史雖然只有短短的十多年，但由于其特殊的特點已經在很多研究中得到應用。其核心的研究策略包括正向化學遺傳學和反向化學遺傳學。其中正向化學遺傳學是指，以細胞(原核，真核)或者有機體本身為靶標，采用小分子化合物高通量篩選突變體，然后進一步尋找小分子化合物的具體的蛋白，或者基因靶標，進而確定蛋白以及基因的功能;而反向化學遺傳學是指采用已經得到的蛋白為靶點，采用高通量篩選的方法找出與之有相互作用的小分子配體，在用這些化合物處理細胞或者有機體觀察其功能，進而確定該蛋白的功能。可以說化學遺傳學跟分子遺傳學一樣是遺傳學的一個分支，由于其可控的和可逆的(可以隨時加入或除去化合物，從而啟動或中斷特定的反應)特性，目前已經在信號轉導，藥物開發，功能基因組學等方向的研究中得到了廣泛的應用。

　　二.天然產物化學背景介紹：

　　天然產物化學研究已經有較長的歷史，在其發展過程中不僅對有機化學，及現代分析技術產生了推動作用，更重要的是為現代藥物治療提供了大量的先導化合物。近年來由于現代分離，檢測技術的引用天然產物化學研究在微量，及結構復雜成分的研究方面取得了一定的成就，但是由于大量出現的重復分離化合物的問題以及在分離上的盲目性等使得其進一步發展遇到了瓶頸。而最近出現的全基因組測序，以及現代分子生物學方法的引入給天然產物研究注入了新的活力。現在研究的比較火的 “基于基因資源的新的天然產物的發現”(genome mining find natural products)就是一個很好的例子，但是其主流的研究方法是采用分子生物學的方法如：次生代謝產物基因簇的異源表達，插入強啟動子活化沉默基因簇，以及通過表達特異性的調控因子等方法(這方面可以參考我之前寫過的一篇博文“基于基因資源的天然產物的發現”)。這些方法對于傳統的天然產物化學研究的人來說往往難以開展，因此有必要開發更多的方法。

　　三.小分子誘導的天然產物的發現：　

　在長期的微生物天然產物的研究中發現，培養條件的改變往往能夠改變微生物的生長狀況以及次生代謝情況。早在上世紀90年代就有人就提出了“一個物種多個化合物”的學說，即是指同一個細菌或者是真菌在不同的培養條件下會得到不同的化合物，最近隨著各種微生物的全基因組測序，發現在這些微生物的基因組中存在著大量的跟次生代謝有關的基因簇，遠遠超過從這些微生物中已經發現的化合物，因此將這些對應基因稱為“cryptic gene cluster”對應的天然產物稱為“隱形天然產物”，這就給“一個物種多個化合物”的學說提供了一個很好的證據，在一般情況下這些“隱形生物合成基因簇”是沉默的，只有在某些特殊的條件下他才會被活化并表達出相應的天然產物。在長期的研究過程中發現，培養過程中加入某些特殊的小分子化合物往往能夠激發這些沉默的天然產物。常見的化合物主要有：1.DNA甲基化酶，組蛋白去乙酰化酶抑制劑。2.多糖類化合物。3.某些合成酶的抑制劑。4.重金屬離子等。目前采用這種方法已經得到了十多個新的天然產物，由于其操作的簡單方便，易于開展等特點使得該方法得到了廣泛應用。

　　四.基于化學遺傳學的天然產物的研究：

　　化學生物學(化學遺傳學)的核心是采用小分子化合物來調控生物體的生命活動過程，因此采用小分子化合物調控微生物的次生代謝產物的合成從理論上來說是合理的，基于此采用化學遺傳學的方法研究微生物次生代謝產物是很有意義的。目前雖然基于小分子誘導的天然產物的發現的報道已很多，但是主要是通過隨機的實驗研究，有關其機理及化學遺傳學的研究還較少，因此有必要進一步開展化學遺傳學的研究。一方面可以采用反向化學遺傳學的方法，通過現有的關于次生代謝產物合成的調控的機制的知識，找出調控相關的蛋白，再通過高通量篩選找出可以與其相互作用的小分子化合物，然后用這些化合物處理微生物檢測其次生代謝產物。另一方面可以采用正向化學遺傳學方法，直接拿微生物篩小分子化合物得到可以活化次生代謝產物的小分子化合物后再找出其對應的蛋白或者基因靶點。確定這些蛋白的功能，同時可以得到跟次生代謝產物生物合成調控相關的信息。這樣就可以合理的設計出小分子誘導天然產物發現的方法。相信化學遺傳學方法的引入一定會給微生物天然產物的研究帶來新的變革。。。