基本介紹
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學科產生
化學生物學是自90年代中期以來的新興研究領域。哈佛大學的Schreiber博士和Scripps研究所的Schultz博士分別在東西海岸引領這個領域，他們的所在地所形成的重心地位甚至在加強。從源頭來講，化學是研究分子的科學，生物化學，分子生物學，還有生物學化學都是一樣的。但是由於科學家們長期以來的習慣稱謂，我們通常使用生物化學指蛋白質結構和活性的研究，用分子生物學指基因表達和控制的研究，用化學生物學指分子水平上的生物現象的研究。
Schreiber博士
Schreiber博士與這些相比，化學生物學使用小分子作為工具解決生物學的問題或通過干擾/調節正常過程了解蛋白質的功能。在某種意義上，使用小分子調節目標蛋白質與製藥公司發展新藥類似。但是，當所有公司的目標蛋白質到目前為止僅是約450種的時候，人類基因組計畫為我們帶來了至少幾萬個目標蛋白質。最終的目標是尋找特異性調節素或尋找解開所有蛋白質之謎的鑰匙，但這需要更系統和整體的方法而並非傳統方法。化學生物學看起來是有希望的答案。系統的化學生物學僅僅誕生於90年代中期，部份是由於基礎條件到那時才剛剛完備。代表性的技術進步包括機器人工程，高通量及高靈敏度的生物篩選，信息生物學，數據採集工具，組合化學和晶片技術例如DNA晶片。化學生物學更普遍的被叫做化學遺傳學(chemicalgenetics），而且它正在擴展到化學基因組學。和經典遺傳學相比較，小分子並不是取代或超越基因表達，而是被用於抑制或活化翻譯過程。
Schultz博士
Schultz博士正向研究法
綜述
在正向法中，目標生物學現象第一次被定義，然後引起被尋找現象的分子選擇自許多被套用的分子。被選擇的分子能被附到某些蛋白質上而且抑制/活化它們，引發重要的修飾，然後與分子相連的蛋白質被檢查並研究。下面是使用正向法發現和發展肌基質蛋白的例子。
製得化合物
首先，為了獲得足量得化合物以引發要得到的現象，通過組合化學的合成方法製得嘌呤文庫。多種化合物可與放射性研究引起的不同變異相比較。有關文庫合成及套用在其它章節有詳述。
目標現象
已經分化的神經原細胞和肌肉細胞很少被增殖。因此，一旦受傷，細胞長不好，恢復很難。這項研究的最初目的是為了找到一種化合物來引起改變肌肉細胞分化，達到再生目的。分化的肌肉組織構成交織的管狀結構。幾百個嘌呤類化合物被在96孔圓片上植入潛伏肌肉組織中，找到了能夠分離相連線的組織的化合物。這種化合物自肌管(myotube）隔斷（severing）嘌呤（purine）命名為myoseverin（肌基質蛋白）。事實上，肌基質蛋白並不僅切斷肌管分離細胞，而且洗滌化合物並添加必需的養分以幫助增殖。更令人激動的是如果增殖的細胞開始分化，它們又造出肌管。換言之，如果這種化合物被注入組織，一部分肌肉細胞就可期望再度生長並增殖，因而產生新的肌肉組織。
目標蛋白質
雖然發現能夠誘導需要的現象的化合物是最重要的前步驟，對與化合物反應的目標蛋白質的細緻檢查然後理解其活性和角色才是真正的辛苦工作。如果需要的現象定義得好，是否存在活性化合物的研究結果可以在短時間內顯示。
肌基質蛋白處理前後的差異是顯而易見的。在肌基質蛋白處理之前，細胞被統一連線，但是處理後，可以看到細胞相互分離。然而，是否肌球蛋白是目標蛋白質還不能確定。一些骨骼蛋白質是染色了的但是結果是相似的。可是，當使用微管蛋白使微管染色的時候，卻得到了有趣的數據。同樣，綠色是微管蛋白，藍色是核。
在被肌基質蛋白處理之前，與先前的照片類似，細胞與微管緊密相連，但是以肌基質蛋白處理過的細胞表現出破裂的微管。因此，一般猜測肌基質蛋白直接的或間接的攻擊微管蛋白或微管。微管是個管形結構，含有a，b微管蛋白組合，它參與了支持細胞結構和染色體運動。
微管蛋白有GTP連線位點，也是製造微管過程中GTP水解製得GDP的GTP酶。微管含有增長+末端和消除-末端。在細胞分裂中，染色體轉移需要良好控制的微管的形成和破壞。天然物質（vincaalkaloids，cholchicine），破壞微管或阻止微管蛋白的合成，干擾正常細胞的分裂。Cholchicine是被用於無核西瓜的物質。從另一方面來說，紫杉酚（taxol）過度穩定微管並阻止其動力學變化，也因其停止正常細胞的分裂而被用於抗癌藥。為使微管正常工作，微管聯合蛋白(MAP）也非常重要。所以，還不清楚肌基質蛋白直接在微管蛋白還是其它MAP上發生功能。為了檢驗這一點，從Cytoskeleton中提取了純淨的微管蛋白，它在特種溶劑中製造微管。當微管被插入時，管形結構明顯消失。所以，這證實了肌基質蛋白直接在微管蛋白或微管上發生作用。
正向法和逆向法
正向法和逆向法根據以前的經驗，已證明微管蛋白在體外被肌基質蛋白進攻，但是在體內怎么樣呢?為了尋找具有生物活性的分子與之成鍵的蛋白質，普通大小的固相樹脂被用於活性分子的親和力矩陣，然後蛋白質被釣出。肌基質蛋白上被加以連線分子，然後與固相樹脂相連做成釣索。然後浸入細胞質混合物一段時間，蛋白質與樹脂相連並被分析。然而，由於肌基質蛋白的活性和蛋白質合成現在被中止，這項工作不容易。這是化學生物學方法中眾所周知的問題。
在肌基質蛋白的例子中，如果不是使用連線分子與樹脂相連，叫做鏈霉抗生素蛋白（Streptavidin）的生物素與蛋白質強烈成鍵，一種強活性官能團的親核分子。這種方法的優點是引入了親和分子，簡單的將其插入活細胞內就可與目標蛋白質成鍵，而不是把細胞研碎而混合蛋白質。如果目標蛋白質與分子成鍵，化學活性基團將以共價鍵與蛋白質的親核部分結合，因而可以通過生物素使鏈霉抗生素蛋白體與目標蛋白質成鍵。已證明實驗後體內微管蛋白與親和分子成鍵。
綜上所述，由篩選系統發現的肌基質蛋白使得已分化的肌細胞再生成為可能，已證明微管蛋白引起了這種現象。與經典遺傳學相比，人們可以掌握出現的目標基因並甚至得到控制目標蛋白質活性的小分子開關。這種肌基質蛋白，在經過實驗後，可被用作新的藥物候選者。
逆向研究法
綜述
在逆向法中，目標蛋白質受到化學物質進攻，首先被分類，然後可以通過觀察插入相關化學物時的結果作用來分析目標蛋白質的體外功能。這裡有一個這種方法的實例：purvalanol的發展和套用。
目標蛋白質
細胞分裂是多種完備功能的蛋白質的和諧演出。CDK(細胞周期蛋白依賴性激酶）是每步細胞分裂中的控制開關蛋白質，其中，CDK2參與了G1到S而CDK參與了G2到M。一些尋找它們特定功能的研究非常活躍，正在進展。所以，在這項研究中我們決定尋找能夠抑制CDK1或CDK2功能的化合物。
細胞周期和CDK
細胞周期和CDKCDK的發展
以正向法製得的嘌呤文庫被用於在純淨的CDK1和CDK2上篩選酶抑制劑。之所以使用嘌呤是為了讓嘌呤類物質通過輔酶與ATP競爭結合位點。為了加速篩選過程，通過使用放射性標記的ATP和組蛋白在96圓片上使酶活化，然後測量磷酸基自用硝基纖維素濾紙過濾出的蛋白質轉移到組蛋白這過程中的所有的放射性。由olomocine起始，(IC507mM），幾步重複之後我們得到約1000倍活化的purvalanol系列化合物。這些化合物同等程度抑制CDK1和CDK2。這是因為兩種酶都是通過非常相似的路線建立起來的，它們的ATP結合位點也相似。
Purvalanol作用
如果CDK1和2被抑制，將有什麼發生呢?由於眾所周知的事實，這些酶在有絲分裂的每一步都扮演了重要角色，研究的第一步就是觀察對易於觀測有絲分裂的青蛙卵提取物的作用。在這個實驗中，注入激素以誘發更多排卵，從卵中提取出必要的物質。當植入從青蛙精子提取的DNA時，卵細胞誤識其為受精，並模仿細胞分裂。通過控制中期（metaphase)Ca的數量可以中止細胞分裂。卵細胞對這個實驗非常有用，因為它們含有大量的蛋白質。為了使圖片清晰，核DNA染成藍色而微管蛋白染成紅色。在正常階段，DNA摺疊以形成染色體並排成一行。然後微管連到其上將其分到兩邊。但是，如果在這個階段加入purvalanol，DNA不會完全摺疊，微管就找不到它們的連線位點。這應該是進攻了G2到M的步驟。可以說，對CDK1的抑制強於CDK2。另外，如果肌基質蛋白同時被加入，DNA一點也不摺疊，而且微管結構完全消失。這可能是G2階段後緊隨的M階段的微管受到進攻。
成鍵的確認
為了查證哪一種蛋白質與purvalanol成鍵，使用了瓊脂樹脂親和力柱釣出未知的蛋白質。通常，在親和力柱中，由於柱中其它鹼性物質的存在，甚至一些沒有任何選擇性的蛋白質也與目標蛋白質一同獲得。為了分離這些不要的蛋白，使用了以purvalanol類無親和性物質做成的相對親和力柱。培養的卵提取物經柱子處理後過濾，親和力柱（Pur-97矩陣）在套用purvalanol前後（A）表現出非常相似的結果，但是相對親和力柱出現了正常有絲分裂的步驟（B）。結果說明親和力柱僅吸附重要的蛋白質，參與正常的有絲分裂，在過濾步驟中與卵提取物分離。因此，一個可行的測試是到重新注入認為已被去處的蛋白質，檢查正常有絲分裂是否再次發生。由於已發現purvalanol抑制CDK1或CDK2，當每個酶被用於（A）情況的時候，CDK不顯示任何變化，但是CDK1清楚顯示了紊亂有絲分裂步驟。這個結果明確解釋了CDK1是（A)狀態的不足因素。
體內微管蛋白
體內微管蛋白另一方面，（A）和（B）柱吸附的蛋白質被過濾而且以陰離子洗滌劑十二烷基磺酸鈉(SDS）處理，然後通過聚丙烯醯胺凝膠電泳分離。兩柱都吸附的蛋白質被忽略，考慮到它們在柱子上隨機附著，或者通常與嘌呤結構成鍵，只有親合性柱吸附的蛋白質被證實是CDK1。
其它作用
為了檢查肌基質蛋白和purvalanol在卵提取物以外的其它活細胞上的作用，也處理了U937，一種白血病細胞。藍色是染色的DNA，綠色是染色的微管。小盒子是一個正在分裂的細胞。在普通的中期，著絲點分裂到細胞兩邊，DNA摺疊中的微管在中間排列。微管與它們連線然後將它們牽引到細胞的兩端。肌基質蛋白在沒分裂的細胞上不產生作用，但是通過破壞微管為離散結構而影響分裂的細胞。同時，以purvalanol處理的細胞表現出未收縮的DNA和已經分裂為兩個但沒有到達指定位置的著絲點。這是在G2-M期中止的結果。另外，細胞變得比正常細胞大。這是因為儘管中止了細胞周期，細胞仍然進行蛋白質合成和新陳代謝。
親和性的肌基質蛋白分子
親和性的肌基質蛋白分子基因表達
研究方法
儘管99%的人類基因組序列已經發現，還有1%的工作要做，下一步最重要的工作卻是找出基因的功能。從研究基因結構和表達入手來解釋物種特徵是遺傳學的工作。經典遺傳學在研究基因表達上有兩種方法；一種是正向法（forward approach）另一種是逆向法（reverse approach）。估計正向法的命名是由於先鋒遺傳學家們嘗試猜想究竟哪個基因對一個性狀產生影響並引用分子遺傳學來證實。而逆向法得名於採用不同的方法尋找DNA標記點和性狀之間的聯繫，無需知道疾病起因。
正向法研究
在正向法中從遺傳疾病患者或者由X光照射引起突變的基因中選擇出非正常性狀，然後尋找基因和性狀之間的聯繫。由於發現X光照射能引起突變，Hermann Joseph Muller獲得了1946年諾貝爾醫學及生理學獎。
逆向法研究
基因可以通過敲除（Knockout）而刪除或者超量表達（Overexpression）而增加。在逆向法中採用了基因工程技術，通過分析改變特定基因而引起的性狀改變來發現基因的表達和活動。然而有時由於一些基因的活動被其他蛋白質刪除後的補償作用所替代，性狀改變難以觀測甚至被忽略掉。同時，由於性狀改變有可能是由於蛋白質異常活動的第二或第三重影響，雖然這種性狀改變可以觀測，慎重的確認過程仍是需要的。改性基因的誘導作用通常不斷積累，證據就是在足夠的觀察之前胚胎髮育並可能殺死該生物。如果基因在生長中有不同的作用，這種基因是不適合研究的。
因此有時觀察特徵修飾時特定基因表達被暫時抑制。這時，反義低聚物和能與mRNA反應並阻止蛋白質合成的RNAi被成功使用。
反義低聚物
反義低聚物是DNA和RNA的類似物，而且其對RNA的互補序列與mRNA偶合併阻止翻譯。由於mRNA序列含有合成蛋白質的信息，這被稱作'義'序列，而其互補序列由於具有對義信息的抑制作用而稱為'反義'序列。一旦反義低聚物與mRNA成鍵形成雙螺旋，雙鏈特異性RNaseH被活化而破壞這些信息。如果RNaseH不被活化，對蛋白質合成的抑制可在翻譯階段發生。這種方法久已研究，被稱作基因療法，但是天然DNA和RNA的負電荷導致了將它們注入細胞的許多問題。所以，使用了通過改變反義低聚物的結構而消除電荷或者使用聚胺作穿越細胞膜的轉運體的方法。截止到2013年供研究使用的最成功的反義低聚物是Morphlino低聚物。這個領域最先進的公司是ISIS他們有些產品已進入臨床實驗階段。另一家公司Welgene正在發展針對更穩定的反義分子的環形低聚物
反義低聚物
反義低聚物RNA介入
RNAi(RNA介入）是一個雙鏈RNA，一鏈具有與目標mRNA相同的序列和強抑制作用。RNAi最早於1995年在C-elegans中的反義低聚物實驗時被偶然發現。一般發現義和反義混合物較反義本身表現出對為mRNA更強的抑制作用。進一步的研究證實不足量的雙鏈足以完全抑制，而且表現出對序列的特定倍增。也已知它不但抑制蛋白質合成，而且mRNA本身的量也在幾小時內減少。雖然精確的機理仍然不甚了解，但是對抗病毒或轉位子的天然防禦機制是其發生作用的一個模型。由於雙鏈RNA在我們體內不多，一旦被發現就被自我防禦機制視為異體，比如RNaseH。這樣的21-23mer的碎片被解鏈酶分為單鏈。單鏈將與mRNA結合，形成更多的雙鏈，這就進入了倍增循環。
蛋白質研究
化學生物學使用的大多數協定使用將小分子與天然蛋白質成鍵然後控制它們的方法。然而，當目標蛋白質在大的官能團中存在的時候，選擇性的控制每個蛋白質非常困難。激酶(Kinase）在體內是一種使用ATP作磷酸化蛋白質及其它底物的輔助因子的酶。蛋白質磷酸化，是重要的信號傳遞系統的開關，指導蛋白質結構的修飾。當生長因子或激素綁到一個細胞表面上的受體時，多種激酶逐漸活化，信號被傳輸。有時，一種激酶通過磷酸化活化另一種。因此，如果我們能將某個激酶磷酸化特定蛋白質的途徑做成譜圖，這將為解釋細胞與細胞表面受體結合後細胞內信號如何傳遞提供重要線索。一個研究方法是在存在以放射性標記磷酸基的ATP給出的信號同時，檢測蛋白質與放射性標記的P成的鍵。雖然如此，因為已經知道人體記憶體在數以千計的激酶，找出每種激酶的功能並不容易，因為它們有可能是逐步活化的，也可能是平行的。
加州大學舊金山分校的Shokat博士發展了一種新的方法以解決這個問題。每個激酶包含ATP成鍵位點，而且它們有非常相似的結構。Shokat研究組選擇了一種激酶，他們想要研究它的功能，將一些體積大的有ATP成鍵位點的胺基酸替換為一些小的胺基酸。利用基因工程技術，基本上僅有激酶本身被改變。蛋白質有了游離的成鍵位點，而且由於對ATP親合性顯著降低，在磷酸化反應中已不能作催化劑。當一個合適的修飾ATP分子被連線到游離的的位點時，激酶恢復活性。重要的是其它數以千計的激酶不使用這個被修飾的ATP作酶作用物。瞧！如果被修飾的ATP帶有放射性標記並被插入細胞內，所有放射性P標記的磷酸化的蛋白質都成為修飾了的激酶的酶作用物。
微管蛋白（Tubulin）和微管（Microtubule)
微管蛋白（Tubulin）和微管（Microtubule)另一方面，合成僅與游離的修飾後的ATP成鍵的選擇性抑制劑不是很困難，可以在不影響其它激酶的條件下研究有關的激酶的抑制。這證明了從天然的蛋白質的經結構修飾得到的人造蛋白質，能通過人造ATP維持生物活性。這種方法代表了一個新的研究方向，不僅是蛋白質信號傳遞研究的，而且是整個生物學化學研究的。
本科專業介紹
專業概述
化學生物學（代碼：070303）屬於理學大類，化學類。
化學生物學以生物無機化學、生物分析化學、生物有機化學、生物化學、化學信息學、生物物理化學和仿生高分子材料為研究方向、發展方向，培養具有良好的科學素質，掌握化學基礎理論、基本知識和基本技能，並得到套用研究、科技開發、科技管理初步訓練的專門人才。
培養目標
化學生物學主要學習化學與生物科學的基本理論、基本知識和實驗、套用技能，受到基礎研究和套用基礎研究方面的科學思維和科學實驗訓練，具備套用研究、技術開發和科技管理的基本技能。
培養要求
本專業主要培養具有堅實的化學與生物學基礎知識和較廣泛的化學生物學交叉領域的知識，具有熟練的化學與相關生物學實驗技能，創新意識強，綜合素質高，能在化學生物學、化學、生命、醫藥、材料、化工、環保等相關領域從事教學、科研、技術開發及管理工作的複合型套用人才。
知識技能
通過學習，將具備了以下幾方面的能力：
1、掌握數學、物理、計算機等方面的基本理論與知識；
2、掌握無機化學、分析化學、有機化學、物理化學、普通生物學、遺傳學、微生物學、生物化學、細胞生物學等學科知識；
3、了解相近專業如化工與製藥、環境科學專業的一般原理和知識；
4、了解國家關於科學技術、化學生物相關產業、智慧財產權等方面的政策、法規；
5、了解化學生物學的理論前沿、套用前景、最新發展動態，以及化學生物學相關產業發展狀態；
6、掌握化學生物學領域中外文資料查詢、文獻檢索以及運用計算機等現代技術獲取相關信息的基本能力；
7、具有一定的實驗設計及創造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結果，撰寫論文；
8、掌握一門外國語，具備較強的讀、寫、聽、說（“四會”）能力，參與學術交流的能力。
課程設定
無機化學、分析化學、有機化學、物理化學、結構化學、生物無機化學、生物有機化學、儀器分析、高分子化學、細胞生物學、生物化學、分子生物學、生物信息學導論、化學生物學、化學工程基礎及化工製圖等。化學基礎實驗、生物化學實驗、化學生物學綜合實驗。
本專業的授課方式有三方面的特點，一是注重基礎，即專業基礎課程（包括理論課和實驗課）；二是強化交叉，重視化學學科和生物學學科的交叉滲透，學習利用化學的理論、研究方法和手段來探索生物問題；三是加強實踐教學，有專業基礎課的相關實驗課，包括基礎化學實驗、普通生物學實驗、遺傳學基礎實驗、微生物學實驗、細胞生物學實驗、生物化學實驗，以及學習實踐，包括生產實習、畢業論文等，一般安排10一20周。
相近專業
化學（070301）、套用化學（070302）、分子科學與工程（070304）。
就業方向
學生畢業後適宜到科研部門、高等學校從事研究工作和教學工作；適宜到化學、藥學、醫療、生化製藥、生物工程、無機新材料、化工、輕工、能源等行業，以及廠礦企業、事業、技術和行政部門從事套用研究、科技開發和管理工作；適宜繼續攻讀化學及相關學科的碩士博士學位研究生。
蛋白質研究
蛋白質研究