他山之石，可以攻“异”——化学遗传学漫谈

  遗传学的基本研究对象是生物体内的各种变异，包括宏观水平如个体或细胞的
形态变化，以及分子水平如基因或蛋白质的突变。一般说来，基因的突变是引起个
体性状改变的根源。因此，遗传学家的主要任务是通过研究基因的变异来发现基因
的功能。自20世纪初现代遗传学诞生以来，在一个世纪的时间内，生物学家们发展
出了许多研究基因突变的遗传学方法，揭示了众多基因的功能。然而，随着后基因
组时代的到来，人们已不再满足于传统的遗传学手段，希望有一种能够快速、大规
模研究基因突变的方法。由此，一门新兴交叉科学——化学遗传学（chemical
genetics）便应运而生，利用大量的小分子化合物去研究基因的功能。
   双 向 选 择
   传统的遗传学手段大致可以分为“正向遗传学”（forward genetics）和“反
向遗传学”（reverse genetics）两类。正向遗传学是指，通过生物个体或细胞的
基因组的自发突变或人工诱变，寻找相关的表型或性状改变，然后从这些特定性状
变化的个体或细胞中找到对应的突变基因，并揭示其功能。例如遗传病基因的克隆
。反向遗传学的原理正好相反，人们首先是改变某个特定的基因或蛋白质，然后再
去寻找有关的表型变化。例如基因剔除技术或转基因研究。简单地说，正向遗传学
是从表型变化研究基因变化，反向遗传学则是从基因变化研究表型变化。
   化学遗传学也同样继承了这两种不同的研究策略。正向的化学遗传学采用各种
小分子化合物处理细胞，诱导细胞出现表型变异，然后经过筛选，寻找小分子作用
的靶标（通常是蛋白质）。一个正向化学遗传学研究范例来自哈佛大学的科学家，
他们采用哺乳动物细胞为筛选模型，观察了上万种化合物对细胞分裂的影响，从中
发现了一个能强烈抑制哺乳动物细胞分裂的化合物monastrol；进一步的研究揭示
，monastrol专一地抑制有丝分裂驱动蛋白Eg5[1]。
   反向的化学遗传学采用了反向遗传学的思路，从基因或蛋白质与小分子化合物
的相互作用来研究基因或蛋白质对表型的影响，从而找到这些生物大分子的功能。
反向化学遗传学的起源可以追溯到20世纪初期德国生物学家埃尔利希（P.
Ehrlich），他提出了受体（receptor）的概念：一个特定的蛋白质可以与一个小
分子相结合；这种蛋白质被称为受体，与之结合的小分子被称为配体（ligand）。
今天，埃尔利希的观点已经被生物学家广为认同，人们甚至认为每一个蛋白质可能
都有一个特定的小分子。事实上，化学遗传学的主要目标就是要为每一个基因找到
相应的小分子化合物。反向化学遗传学的一个成功的例子是，美国科学家采用一种
化合物PD184352筛选与其作用的蛋白激酶，发现它可以专一地抑制一种调节细胞增
殖的蛋白激酶MEK1；进一步的研究表明它可阻碍结肠癌的生长，从而揭示出MEK1在
肿瘤的形成中有着重要作用[2]。
   “化 学 银 行”
   随着人类基因组计划的实施和后基因组时代的来临，经典的遗传学研究已走向
规模化、系统化。其标志之一，就是出现了存储成千上万基因信息和序列的数据库
——“基因银行”（GenBank）。化学遗传学也被烙上了同样的标记。2001年，美
国国立卫生研究院下属的国家癌症研究所（NCI）启动了一个计划，希望全世界的
科学家将所有小分子化合物的结构及其生物学效应或与蛋白质作用的信息，存入一
个公共的数据库。这个公共数据库被称为“化学银行”（ChemBank）。预计在第一
年为该计划投入1000万美元，以后逐年增大投入。NCI的所长克劳斯勒（R.
Klausner）认为，通过实施“化学银行”计划，人们就可以系统地寻找和分析能够
作用于蛋白质或细胞的具有生物活性的化合物。
   开展化学遗传学研究的关键之一是要有大量的不同结构的化合物供筛选。
monastrol就是从含有16320种小分子的化合物库中筛选得到的。新兴的组合化学显
然是化学遗传学获得海量小分子化合物的核心技术。它的原理是，在同一个化学反
应体系中加入不同的结构单元，利用这些结构单元的排列组合，就能够系统地合成
大量的化合物。此外，现代化学合成技术的改进和发展，也为化学遗传学奠定了良
好的基础。
   要想从上万种甚至上百万种小分子化合物组成的化合物库中筛选出有效的分子
，显然需要高通量的筛选方法，涉及到自动化、微量化和图像处理等各种高技术的
运用。以微量化为例，1970年代分析一个化合物样品需要的体积是0.3毫升左右，
1990年代减少到10微升，而最近几年已发展到只需要0.1微升。目前，人们针对两
种不同的化学遗传学需求发展出了不同的高通量筛选方法。正向化学遗传学采用的
是基于细胞的高通量筛选方法：将多细胞生物的某种细胞或单细胞生物体如细菌作
为筛选模型，应用大规模平行检测技术，同时分析成千上万种化合物对细胞形态或
活性的影响。而反向化学遗传学则是采用以蛋白质为靶标的高通量筛选方法，将特
定的蛋白质植入具有96个孔或更多孔的培养皿，然后通过测定酶反应或结合能力，
寻找与蛋白质发生作用的化合物。一般从1万到100万个化合物中，可以筛选到10到
100个潜在的配体。
   取 长 补 短
   经典遗传学研究手段在长达一个世纪的实践中取得了巨大的成绩，至今依然是
生命科学研究中一个重要组成部分。但是，经典遗传学的研究具有一些先天不足之
处。首先，遗传突变通常是不可逆的，尤其是多细胞生物的基因突变。其次，绝大
部分突变是不可控的，它们的活性无法按照研究者的愿望进行转换；即使有一些条
件型突变，如温度敏感型突变，对温度的改变不仅仅影响突变，而且会影响到有机
体的整体变化。此外，遗传突变的生物学效应比较缓慢，对于细胞内一些快速化学
反应如信号传递，很难及时检测。遗传突变通常是质的改变——蛋白质活性的增加
或丧失，难以研究其动态变化或动力学过程。最后，由于哺乳动物具有繁殖缓慢、
个体大、巨大的双倍体基因组等特性，使得应用遗传学手段变得非常困难。
   化学遗传学正好可以在一定程度上补偿这些经典遗传学研究的缺憾。化学遗传
学的手段是可控的和可逆的——可以随时加入或除去化合物，从而启动或中断特定
的反应。大多数小分子化合物对蛋白质的作用非常快，从而可以进行实时检测。此
外，通过控制化合物的浓度，可以对其作用的靶分子的动力学过程进行分析。化学
遗传学的另一个优点是，一个同样的化合物，可以被广泛地用于影响各种不同生物
体的某一种过程或功能。化学遗传学的方法也基本上不受物种的限制，既可以用于
低等生物，也可以高等生物。
   不久前，人们在研究细胞的信号转导时，把经典遗传学和化学遗传学的研究方
法结合起来，实现了优势互补。在信号转导过程中，蛋白激酶起着非常关键的作用
。由于所有的蛋白激酶都有一个非常保守的ATP结合结构域，抑制蛋白激酶活性的
小分子化合物通常是非专一性的：一种化合物可以抑制许多蛋白激酶的活性。为了
寻找只作用于某一种蛋白激酶的专一性抑制剂，美国科学家发明了一种技术：首先
用经典遗传学的方法把某种蛋白激酶的ATP结合位点上的一个氨基酸进行突变，制
造出一个保持激酶活性但空间结构改变的突变型激酶，随后合成一系列可专门结合
这一突变激酶的化合物，并筛选出只抑制人工突变蛋白激酶，而不抑制其野生型或
其他蛋白激酶的小分子化合物[3]。这一方法不仅为在体内研究各种蛋白激酶的功
能提供了有用的工具，还表明经典遗传学和化学遗传学的结合有可能为生命科学开
拓更大的研究空间。
   化学遗传学不仅是化学与生物学联姻的产物，也是基础研究与应用研究嫁接的
成果。制药公司的目的通常是获得治疗疾病的药物——绝大多数都是小分子化合物
。因此，现代化的制药公司一直采用大规模筛选小分子化合物的方法，去寻找具有
药效的候选化合物，并且常常收集有数百万种化合物。在早些时候，这类化合物库
是不出售的，学术界的研究人员无从进行大规模筛选的研究工作。现在，随着化合
物库的商品化，科学家可以开展相关的研究了。从另一方面来说，化学遗传学研究
所获得的成果——小分子化合物及其生物学效应，除了被用来揭示生命的基本活动
规律外，还可能成为候选药物。也就是说，化学遗传学的研究活动不是单纯的基础
研究，而与应用紧密相联。所以很多大型制药公司都非常关注化学遗传学。例如，
哈佛大学在成立一个以从事化学遗传学为核心的“化学与细胞生物学研究所”时，
著名的默克制药公司(Merck)就成为了该所的主要赞助者之一。可以说，化学遗传
学的出现把传统的学术研究实验室引进了药物开发的战场。