硒核酸技术将掀起新药研发革命

　　Creating Novel Drugs: Targeting Nucleic Acids and Their Protein Complexes

　　黄震教授全球首创的硒核酸技术一举解决了核酸生物大分子X射线晶体衍射领域中相位角测定这一重大技术瓶颈难题，硒核酸还能在很大程度上帮助核酸及蛋白复合物结晶，提高晶体结构精度，并且能够非常好地保持大分子结构同形性，有望在这一领域以及新药研发领域带来革命性影响。

　　Professor Zhen Huang is the first to pioneer and innovatively develop Selenium-derivatized Nucleic Acids (SeNA) platform technology for structure determination and function study of nucleic acids and their protein complexes. This creative technology provides a rational solution to the phasing problem that is one of two long-standing bottle-neck problems in nucleic acid X-ray crystallography. At the same time, selenium derivatization can also significantly facilitate crystallization of nucleic acids and their protein complexes, which is the second long-standing bottle-neck problem. Moreover, selenium derivatization can increase the resolution of crystal structures, while virtually preserving native structures. It is predicted that this novel platform technology will revolutionize identification of novel drug targets in nucleic acids and their protein complexes, as well as create lead compounds for new drug discovery。

　　文 本刊记者 程桔华

　　2011年6月12日，两位年过70的2009年诺贝尔化学奖获得主阿达·尤纳斯(Ada Yonath)教授和托马斯·施泰茨(Thomas Steitz)教授来到北京。他们不是观光旅游，更不是休闲度假。两位德高望重的老人漂洋过海，分别从以色列和美国不辞辛劳来到北京，是为了参加一次重要的会议。次日 ，“第106次生命科学前沿研讨会暨首届核酸蛋白药物研发国际研讨会”在北京隆重举行，数百名国内外核酸和蛋白领域研究的顶级专家、来宾及学生们在北京会议中心齐聚一堂，共同研讨以核酸蛋白为靶点的药物的前沿趋势。对中国化学生物学术界以及医药产业来说，这无疑是一次国际间学术交流和技术合作的千载难逢的好机会。对北京生命科学和新药创新以及建设“全球创新中心”都具有重要意义。

　　正如北京市副市长苟仲文在讲话中所说的，这次会议的召开，为集聚全球创新资源，在国际前沿领域开展产学研合作提供了机会，对实施北京生物医药产业跨越发展工程提供了有力支撑。本次会议由北京大学张礼和院士及美国哥伦比亚大学的韦恩·汉德森(Wayne Hendrickson) 美国国家科学院院士，黄震教授为大会联络人及秘书长(General Organizer)。主办方为北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室、南开大学药物化学生物学国家重点实验室和南开大学元素有机化学国家重点实验室，协办方包括清华大学生命科学院、中美化学及化学生物学教授协会 (CAPA)等。承办单位就是北京康钰垚生物科技有限公司(下称：康钰垚公司)，这是位于中关村科技园区海淀园的一家新公司，2010年5月正式成立。

　　在医药领域，康钰垚公司显然是个新手，但新手上路锐不可当，在核酸领域康钰垚公司可谓一枝独秀，全球首创的硒核酸技术让它后来居上，吸引了中海投等VC的青睐。

　　硒核酸技术将掀起

　　新药研发革命

　　全球首创的硒核酸技术由黄震教授始创于1998年，经过12年的实验室系统研究，已逐渐成熟并具备市场化的条件。该技术一举解决了核酸生物大分子X射线晶体衍射领域中相位角测定这一重大技术瓶颈难题，很大程度上帮助核酸及蛋白复合物结晶，提高晶体结构精度，并且能够非常好地保持大分子结构同形性，有望在这一领域以及新药研发领域带来革命性影响。

　　2001年，黄震教授首次发表定位硒核酐酸合成，并首先提出用硒核酸测定结构的方法。尽管这首篇论文发表在一影响较小的科研杂志(Nucleosides, Nucleotides, & Nucleic Acids, 2001, vol. 20, issue 9, 1723-1734)，但还是有人对它产生了兴趣。 2002年，黄震教授与马丁·额格礼(Marting Egli)教授一起合作，验证了可用硒核酸来测定核酸结构。这一结果发表在化学领域的一流杂志(Journal of American Chemical Society, 2002, vol. 124, No. 1, 24-25)。后来，世界各地多个研究室证实了可用硒核酸测定核酸结构这一结论，并开始采纳黄震教授的硒核酸技术。例如，2005年，由美国、德国和澳大利亚三个国家的科学家组成的联合团队利用硒核酸技术作为关键技术成功解出了世界上第一个能够催化碳碳键形成反应的Diels-Alder核酶三维结构。这一结果发表在该领域的一流杂志Nature Structure and Molecular Biology上 (2005，Vol12，Issue3，Page 218-224)，对于科学家进一步研究核糖核酸(RNA)在生命起源和进化过程中的重要作用以及新药设计都具有深远的意义。1年后，以美国科学家马丁·额格礼为首的科学团队同样利用硒核酸技术解决了第一个同源脱氧核糖核酸(HOMO-DNA)的结构，这一结果发表在美国化学会志上 (Journal of American Chemical Society, 2006, 128, 10847-10856)。在没有使用硒核酸技术之前，科学家已经花了10年左右的时间研究这一结构，但都因技术困难而无一成功。

　　黄震教授告诉记者，核酸与蛋白核酸复合物的研究和三维结构的测定已成为疾病分子机理研究和药物创新研究极其重要的新领域。对这些大分子结构和它们的配体的研究，X射线晶体学是最直接和最有力的测定方法之一。然而，由于常规的重原子取代衍生物相位测定方法(相位测定是X射线晶体学研究领域长期存在的两个难题之一)其自身的缺陷，在很大程度上阻碍了新的结构的测定。另外一个长期存在的难题是结晶方法。到目前为止，在核酸结晶方面还没有一个合理的解决方案。因此，建立一个新的方法和工作平台对促进核酸和蛋白核酸复合物的X射线晶体学发展，特别是大规模制备结晶等工作均具有巨大的价值。

　　黄震教授成功地发明了一种新的衍生物(其原理是通过硒原子取代核酸分子中的氧原子)，并且已通过多次实验确认，同时已经获得发明专利。“我们的研究是基于我们的假设：由于氧、硒均处在元素周期表中的同一族(VIA)，因此，硒可稳定地取代核酸中的氧原子，而不产生明显的结构变化。硒核酸衍生物将为核酸、蛋白核酸复合物以及类似药物的小分子核酸复合物的晶体结构测定提供相位信息。”黄震教授告诉记者，“到目前为止，我们已经成功地通过大量的实验证明，硒核酸衍生物可用于解决相位测定难题。同时我们发现，硒衍生物也可以在很大程度上促进DNA的结晶。这些独特的功能对于实现核酸和蛋白核酸复合物(如非编码RNA)的高通量结构测定，满足制药和生物技术行业对新的潜在药物靶点(核酸和蛋白核酸复合物)的结构生物学研究的需求，具有非常高的研究和商业应用价值。”

　　黄震传奇经历显身手

　　目前涉及硒核酸平台技术的研究论文已经超过50篇，而作为康钰垚公司首席技术长官，黄震教授实验室发表的论文就超过30篇，占60%以上，并已获得两项核心技术专利。另有多项发明正在申请专利。他的论文引用也在逐年快速增加。

　　“硒核酸蛋白平台技术”的发明人黄震教授，是美国佐治亚州立大学终身正教授、博士生导师，拥有超过26年的核酸和蛋白质化学和结构分析的研究经验，有10多项专利以及发明，并享受美国联邦政府和州政府的各种研究资助，曾师从2009年诺贝尔医学奖得主杰克·邵斯达克(Jack Szostak)教授。

　　黄震生于四川江油，长于攀枝花，

　　1980年考上四川大学分析化学本科，1984年考上北京大学研究生，跟随导师文重教授做蛋白化学和酶促化学。文重教授堪称中国化学生物学先驱者之一。早在60年代，他就开始做酶促化学。跟随文重教授，黄震学到的最过硬的本领就是通过酶促的办法做蛋白合成。还是学生的他就做出了中国首例通过酶促办法产生的甜二肽。如今甜二肽在餐饮行业应用相当普遍。“那是80年代中期，当时我们没有能力把自己的新技术商品化、市场化。”回想当年的情形，黄震颇感遗憾。

　　1987年北京大学硕士毕业后，黄震就去了瑞士理工(全称叫瑞士苏黎世联邦理工大学)。这是以前爱因斯坦就读过的地方，是全世界排前十名的大学。在瑞士理工攻读博士阶段，黄震师从史蒂夫·伯莱(Steven Benner)教授。史蒂夫·伯莱教授是化学生物学包括核酸化学领域的世界级顶尖大师，在《Nature》和《Science》杂志上发表了二三十篇论文，在生物化学领域享有崇高权威。毕业于哈佛大学的他，没有做博士后就直接在哈佛大学当了教授。1986年，史蒂夫·伯莱教授被瑞士理工聘用。史蒂夫·伯莱教授很有企业家头脑，除了搞学术，还参与并组建了五六家企业，曾给诺华制药的前身企业做科学顾问。值得一提的是，史蒂夫·伯莱教授的导师罗伯特·武德瓦尔德(Robert B. Woodward)教授是哈佛大学的著名教授，也是诺贝尔奖获得者，被誉为 20世纪全球排名第一的有机合成大师。维生素B12就是他首先在实验室合成的。

　　1988年，黄震加入史蒂夫·伯莱教授的实验室。跟随史蒂夫·伯莱教授，黄震学会了用硫来修饰核酸，合成中性的核酸。他所合成的中性核酸还被用在美国航天部空间研究中心，用来进行外太空探索寻找未知生命。

　　1994年，黄震博士毕业，随后到了哈佛大学医学院攻读博士后，跟随2009年诺贝尔医学奖获得者杰克·邵斯达克(Jack Szostak)教授从事核酸分子生物学研究。1998年夏天，黄震开始在纽约城市大学布鲁克林学院当助理教授。

　　布鲁克林学院很小，而且是以教学为主，教学任务繁重。加之经费少，实验室的研究工作甚难开展，只好白天教书，晚上及周末做实验研究。黄震教授刚去的时候，学校只给了一间极其简陋且脏乱不堪的实验室。而实验室所需的设备和化学药品直到1998年12月底才陆陆续续地运到。就在1998年的最后一个夜晚，也就是1999年的元旦前一夜，黄震教授成功地做了一个具有重要科学历史意义的小实验，从此踏上了研发“硒核酸平台技术”的实验科学生涯。

　　最开始，黄震教授的想法是既做化学合成，又做分子生物学，但布鲁克林学院给实验室的启动基金是非常有限的。在这种窘境下，黄震教授只有在网上购买二手设备。黄震教授清楚地记得当时花了550美元竞拍了一台老设备，但邮寄费就花了200美元。更惨的是，给老设备更换灯源又花了800美元！更富戏剧性的是，直到今日在黄震教授已大大扩展的实验室里 ，那台网上竞拍来的已有30来年历史的老旧设备还可正常运转，一直没坏过！

　　其实美国的实验室就相当于一个小企业，教授接管之后，就要千方百计生存下去。除了学校的少得可怜的拨款，最主要的资金来源就是通过发表论文，然后再去申请经费。而事情是因果相依的，只有实验室地位提高了，技术上去了，研究深入了，写的论文才有深度会被发表。最困难的时候，他的实验室连买化学药品的钱都快没有了，当时黄震教授已准备用自己的工资去支付化学药品开支。可喜的是，那个阶段实验室还取得了一些小成绩，学校几千美元的经费被及时申请下来，实验又可以继续进行了。其贤妻胡若多对他事业的全力支持与理解，帮助他度过了那段最艰难的时光。

　　“实验室之所以能够发展，跟我们的研究方向和技术是密切相关的。幸运的是，十几年前我们开始研发硒核酸技术的时候，没有引起其他人的注意。要知道美国的竞争是非常激烈的，如果那个时候引起了大家的注意，我们实验室可能早就被挤死掉了。”黄震告诉记者，“当时没有引起其他人注意，干冷门，其实是个好事，这给了我们一个慢慢地滚动发展的时间。现在我们已经在这个领域综合实力很强了，而且我们研究工作干得也广。我们在做别人很难做得到的事，因为我们的研究工作涉及化学合成、生物化学、生物分析化学、分子生物学、结构生物学等多交叉学科。几乎没人在这么多跨领域交叉学科上同时开展研究工作。我们当初这样同时开展研究工作时，当时就有人认为我们已经疯了，并断言这是学术自杀。当然现在已没人再讲这种极端的话了，毕竟我们已经从最困难的时候走过来。不过，我们付出了很多的心血和汗水，也吃了很多苦头。尽管前面还有很多困难，可喜的是，该硒核酸领域已经逐渐建立起来。我们希望有更多人参与到这个重要的新领域中来。”

　　不过现在摆在黄震教授面前的最大难题是如何把这项新技术产业化。

　　康钰垚近水楼台先得月

　　康钰垚公司与硒核酸技术的渊源直接与发明人黄震教授相关。康钰垚公司在黄震教授的指点下，对硒取代核酸衍生物的技术及产品进行了深度开发。据估计，在用X射线法对大分子物质进行三级结构测定方面，核酸结构和功能研究具有巨大的市场潜力。到目前为止，硒核酸方法已在多个实验室中被采用，相关物质的合成和纯化方法都比原来的方法要容易得多。

　　康钰垚公司的主要市场运作方式是提供特殊试剂给各类研究机构，进行大分子及其复合物和小分子物质的分子三维结构信息测定服务，给客户提供核酸、核酸蛋白复合物和小分子的结晶制备及结构测定服务。“生物分子3D结构的测定非常有利于在原子水平上促进新药的发现，在分子水平上有助于人们对发病机理的认识。并将使人们改进疾病治疗方案，改善人们的健康状态。” 康钰垚公司执行总裁李克纯告诉记者，“据估计，在美国这个学术市场能够达到7亿元，政府研究的市场是5.6亿元，工业市场的规模为35亿元。据估算，全世界每年的市场规模约为98亿元。”

　　目前，仅核酸晶体生长及结构测定全球就有14亿美元的市场，而且以20%以上的速度增长。 再加上核酸新药开发市场，这整个领域就更具有广阔的市场前景。康钰垚公司打算以市场为为导向，为国内外从事相关研究的科研机构、生物医药企业提供试剂、“砌块”、结构测定、外包等服务，以便迅速获得大量现金流，并取得市场的领导地位。然后，转向开发药物靶点和新药，从而成为全球核酸蛋白药物的领军化学生物医药企业。

　　去年6月，硒核酸平台技术经由北京市科委生物中心组织专家论证，形成结论如下：“该项目在核酸分子结构解析领域处于国际领先地位，对化学生物医药领域的创新性研究具有一定的促进作用。团队结构合理，现在公司处于起步阶段，目标市场尚处于培育期，有较好的发展前景。”

　　美国科学院院士、2009年诺贝尔化学奖得主托马斯·施泰茨也表示，市场需要开发大量新的药物来应对人类新出现的疾病，例如癌症、艾滋病、心血管和神经疾病等。但如果没有三维结构信息和关键核酸、蛋白和核酸蛋白复合物等分子水平的认识，就不可能有效地开发新的药物。而随着人们对核酸结构和功能认识的不断深入，特异性结合或裂解致病基因的核酸药物也应运而生。其作用效率高，应用范围广，是对传统药物概念的补充，具有潜在的广大临床应用前景。

　　数据显示，目前已有60000多个蛋白三维结构测定完成，国际上相应基于蛋白(药物作用位点或靶点)结构测定而研发的新药层出不穷，占化学生物类药物的99%左右。与之相反，由于目前仅有数百个独立核酸结构被测定(仅占总已知结构数的1%左右)，导致以核酸为靶点的药物研究进展缓慢，是一主要原因。

　　康钰垚已确定公司的战略为发展以核酸蛋白为靶点的药物创新平台，并在技术平台上衍生发展出核酸修饰物和创新药物。公司通过技术服务和产品销售来实现中短期的盈利。硒核酸蛋白技术平台技术路线已经成熟，硒修饰晶体成功生长10种。核酸修饰物合成是康钰垚在硒核酸平台上提供的一项主要业务，中国科学院院士已经委托康钰垚公司合成、晶体筛选和三维结构测定非编码RNA。

　　目前，康钰垚公司已经与Chemgenes达成合作。Chemgenes公司是目前全球最大的核酸单体产品供应商，有超过30年的专业研发和销售服务经验。 Chemgenes公司拥有18个专利，其中一个是药物传输的核心专利，通常情况下，核酸药物进入体内很容易被代谢分解，这一技术解决了核酸药物的传输问题。

　　《2010年中国生命科学白皮书》给出了一组数据：2010年，风险投资(VC)在中国生命科学领域的投入首次超过10亿美元，同比2009年上升了319%。自2000年以来，中国生命科学领域专利数量的年均复合增长率达45%，并在2010年数量达到3200件。

　　“十一五”末期，我国生物医药产业规模已经实现了万亿量级，复合增长率达到了20%左右。2011年是实施“十二五”规划的开局之年。“十二五”期间，相信从国家到地方政府都会对生物产业的技术创新进行引导，来转变经济增长方式。

　　康钰垚，赶上了好时候！