成都先导蛋白质结构生物学（晶体学）全能力服务体系成功建立！

布鲁克衍射荧光事业部

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成都先导蛋白质结构生物学（晶体学）全能力服务体系成功建立！

布鲁克X射线部门

2021.9.24

成都先导药物开发股份有限公司HitGen Inc.是一家快速发展的生物技术公司，总部位于中国成都，在美国设有子公司。公司为小分子新药发现建立了一个以设计、合成和筛选为核心的DNA编码化合物库的技术平台。

成都先导于2020年配备了中国西南地区首台可媲美二代同步辐射光源的布鲁克液态金属靶X-射线室内衍射仪（D8 VENTURE) 用于日常晶体的衍射实验或数据收集。

目前，成都先导的X-射线室内衍射仪可全年对外开放，欢迎业界有需要的客户前来咨询合作。

下面是来自成都先导的相关介绍：

前言

基于结构的药物设计（SBDD）越来越被认为是药物研发中一个至关重要的组成部分。获得高分辨率靶蛋白的三维结构，提供原子水平的信息，能使药物化学家更有把握地快速进行先导化合物的优化。随着人工智能时代的加速到来，尤其是最近AlphaFold 2在结构预测上所取得的重大突破（图1），让无数业内学者为之兴奋。那么，AlphaFold是不是彻底解决了蛋白质结构预测的问题？相较于传统的蛋白质晶体学方法两者是否有互补的作用？成都先导在蛋白质结构生物学领域又能涵盖哪些服务范畴？

图1. Deepmind AlphaFold 2在CASP14竞赛中算法精度的卓越表现

(数据来自于Nature, Vol.588, 10 Dec, 2020)

一、蛋白质晶体学概述

X-射线晶体学是测定蛋白质三维结构的主流方法。目前随着自动化技术的发展，利用X-射线晶体学方法测定蛋白质三维结构可达到一定的通量，结构解析的方法也较为成熟，每年通过X-射线晶体学方法解析的蛋白质结构也以1万左右的结构数逐年增加（图2），是最具有规模化、工业化运用的蛋白质三维结构测定技术。成都先导的蛋白晶体学平台是目前西南地区首家企业营造的蛋白晶体学平台。该平台可提供高分辨率蛋白质大分子结构，用于表位鉴定、蛋白质工程改造，以及基于结构或基于片段的药物发现等。该平台可以提供针对需要解析的蛋白质结构进行解析方法和分析过程的优化，以大幅度提高解析结构的速度和精度。

图2. 通过X-射线晶体学解析的蛋白结构逐年统计

(取自http://www.rcsb.org/stats)

二、AI在结构生物学中的意义

毫无疑问, AI是对整个生物学的一场变革，且不仅仅局限在生物学领域，但它并不是结构生物学的终点，而是可将其作为起点去做更多的延伸工作。AlphaFold 2主要是对三级结构预测，且CASP评估的也只是单结构域的预测结构，对多结构域的复杂构型并没有做评估。所以，AlphaFold 2接近于解决了单结构域的蛋白质结构预测问题，且预测精度很高（总体得分中位数为92.4 GDT）。然而，AlphaFold 2尚不能对所有蛋白结构做到精准预测，氨基酸侧链的精确定位对其仍是一个挑战，同时在没有任何同源模型的部分，其预测的结构可能是一团无序的“圈圈”（图3）。目前，AlphaFold 2尚面临一些暂无法突破的问题 (https://alphafold.ebi.ac.uk/faq#faq-2)，比如，只能预测蛋白的静态结构，未考虑蛋白结构的动态变化；无法预测天然无序/无结构蛋白；在预测突变引起的结构变化方面尚未得到验证；对于蛋白-蛋白相互作用（PPI），蛋白与小分子配体的结合，DNA/RNA，或者翻译后修饰等非蛋白组份的结构预测都还没有解决。因而，对结构生物学来讲，AlphaFold2 AI的成功可以帮助他们更快、更好地开展研究工作，但却无法替代传统的实验方法：始于获得高纯度的蛋白，通过结晶或冷冻电镜等实验方法去收集实验数据，以此来解析蛋白的三维结构——这依然是结构生物学家获得准确精细三维结构的主要方法。

图3. AlphaFold2无同源模型的结构预测示例（AF-Q9UJQ4-F1）

三、成都先导蛋白质晶体学服务概述

成都先导具有经验丰富且精通X射线晶体学和分子模型制作的结构生物学专家。其全资子公司Vernalis具有世界一流的基于结构/分子片段三维结构信息的药物设计（SBDD/FBDD）的研发实力。通过将结构生物学的实践知识与其在SBDD/FBDD方面的能力相结合，使得成都先导的药物化学和计算化学团队在整个药物发现的进程中能够利用这些信息来优化小分子的设计，从而快速、高效地产生候选化合物。

1. 蛋白质制备服务

高品质的蛋白质是结构生物学成功的关键，尤其对于X射线晶体学。成都先导蛋白科学团队对于各类靶点蛋白的制备具有丰富的实践经验，从基因设计、分子克隆、蛋白表达（包括各大主流的表达体系）、纯化到表征，从而制备得到高品质的蛋白，用于支持和加速后续研发，包括蛋白晶体学和药物发现进程中的其它关键步骤, 如：体外生物检测开发和基于DNA编码化合物库（DEL）筛选的苗头化合物的发现。

图4. 成都先导常用蛋白表达体系和仪器设备

表1. 成都先导蛋白质制备周期

具有结晶 (衍射) 品质的重组蛋白可以通过单一服务的方式或者与蛋白晶体结构测定相结合的服务方式从成都先导获得。

2. 蛋白晶体学服务

成都先导也可提供包括初始结晶筛选、晶体优化和即时检测、数据收集、结构解析等单一的标准蛋白晶体学服务。图6为简要的蛋白晶体学服务流程。

图5. 成都先导蛋白/先导化合物晶体样品

图6. 成都先导蛋白晶体学服务简要流程

四、成都先导蛋白质晶体学服务优势

1. 涵盖多种不同靶点蛋白类型

成都先导自产靶点蛋白涵盖多种不同的靶点蛋白类型，其中包括各类激酶、受体、代谢酶、蛋白酶、聚合酶、磷酸酶、细胞因子、转录因子、抗体蛋白等，以及适用于蛋白降解平台的多种E3连接酶。交付的纯化蛋白可以确保高纯度、高均一性，并且可以通过各种生物物理、生物化学手段对其进行活性验证。

图7. 成都先导自产靶点蛋白概况

2. 高通量蛋白结晶、晶体观察和室内衍射装置

成都先导具有开展针对几千种结晶条件进行高通量筛选的自动化设备，如结晶机器人(Mosquito LCP) 和自动化晶体观察站 (UVEX-PS256, JANsi)，分别用于初始结晶条件的筛选和晶体的评估（图8）

图8. 成都先导蛋白晶体学平台之高通量结晶筛选、观察、和优化

此外，成都先导还配备了中国西南地区首台可媲美二代同步辐射光源的布鲁克液态金属靶X-射线室内衍射仪（Bruker D8 VENTURE MetalJet Photon III) 用于日常晶体的衍射实验或数据收集（图9），很多情况下，分辨率可与同步辐射光源所获分辨率匹配（图10）。目前，成都先导的X-射线室内衍射仪可全年对外开放！

对于衍射较弱的晶体，我们通过定期在同步辐射光源线站（SSRF or Spring-8）的数据收集，以确保获得足够分辨率的衍射数据用于结构确定。

图9. 布鲁克 D8 VENTURE X-射线室内衍射仪

图10. 成都先导室内衍射现场收集的结构数据应用实例

在过去的几年，成都先导解析了几十个靶蛋白及其与先导化合物的共晶结构。从基因到结构所需的平均周期为2-6个月，主要受制于靶蛋白的表达周期、表达水平、以及纯化难度（表2）。全资子公司Vernalis 在此领域更是积累了二十余年的经验，已获得6000余个蛋白/配体的共晶结构（图11）。

表2. 成都先导蛋白质晶体学案例分析

图11. 成都先导（含Vernalis）蛋白晶体学平台解析靶蛋白/配体共晶结构示例

结语

成都先导结构生物学（蛋白晶体学）平台的建立可将SBDD/FBDD和计算机辅助药物设计（CADD）, 以及药物化学三者有机地结合起来，为先导化合物优化提供确实可靠的结构依据，对于新药项目的早期研发起到有效的推动作用。持续加强蛋白质研究领域的研发，尤其是建设高效的结构测定平台对创新药行业的发展具有基础性、前瞻性和战略性的意义。成都先导蛋白质结构生物学（晶体学）平台的建立有助于加快将蛋白晶体学技术运用到工业化药物研发当中，该服务体系的建立与不断完善也将进一步推动西南地区乃至全国生物医药的产业化发展。

如您想了解更多关于成都先导结构生物学（蛋白晶体学）平台能力，请浏览成都先导全新改版官方网站https://www.hitgen.com/

了解更多关于如何利用成都先导的卓越的结构生物学（蛋白晶体学）等前沿技术以加速原创新药研发及新药项目合作相关事宜，请联系：bd@hitgen.com

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