本書詳盡介紹了藥物靶點的發現與確證，通過化學、生物和計算方法等相關技術的詳細介紹和成功研發實例的展示，清晰闡述了如何克服藥物開發中的技術障礙，順利發現可進入臨床試驗的新藥靶點。本書還重點介紹了化學蛋白質組學、基于活性的蛋白質圖譜、通路圖譜、全基因組關聯研究、高含量表型圖譜和遺傳操作等先進技術。
本書深入淺出，有理論、有方法、有案例，可為藥學研發領域的科研工作者和院校師生提供全面而有價值的指導。

中文版前言
藥物基本上都需要通過與體內生物靶點的相互作用才能發揮療效，而藥物的療效和安全性在很大程度上取決于其作用靶點的“質量”。在新藥研發技術日新月異和蓬勃發展的今天，仍然有很多人類無法戰勝的疾病，究其根本，還是由于沒有發現合適的藥物靶點。
正所謂“好的開始是成功的一半”，第一步至關重要。藥物靶點的發現，就是新藥研發的“第一步”，是新藥研發的出發點，也是新藥研發成功與否關鍵中的關鍵。尋找藥物作用的新靶點，已成為當今新藥研發激烈競爭的焦點。而發現藥物新靶點的能力和水平，是創新藥物研發實力的根本體現。只有發現并確證了全新的藥物靶點，才能開發出原始創新的first-in-class藥物，否則只能追隨他人的步伐，止步于me-too和me-better藥物，實現fast-follow更是鳳毛麟角。
新藥研發之所以難，是因為每一環節看似簡單可行卻總是困難重重，看似有理有據卻總是狀況百出，看似計劃之中卻總是意料之外，看似盡在掌握卻總是事與愿違。新藥研發難，發現一個可成藥的藥物靶點更是難上加難。藥物靶點的發現與確證是一項綜合性的挑戰，涉及生物化學、化學生物學、分子生物學、結構生物學、藥物化學、藥理學、系統生物學、生物信息學等多個學科。具體而言，生物化學、化學生物學、分子生物學和結構生物學主要負責研究藥物與靶點間的相互作用機制，藥物化學負責設計和合成潛在的活性分子，藥理學負責評估活性分子的生物活性和毒副作用，而系統生物學和生物信息學則負責分析和模擬復雜的藥物靶點網絡。只有通過眾多學科研發團隊的共同努力，才可能有效地發現和確證潛在的藥物靶點，走好藥物研發的第一步。
為了讓更多的新藥研發人員了解和熟悉藥物靶點發現與確證的策略方法和最新技術，我組織了多位青年學者，翻譯出版了這一領域的經典專著—《藥物靶點發現與確證》（Target Discovery and Validation）。本書原著作者均為制藥行業和學術界藥物發現領域的知名專家學者，他們根據其自身多年的研究經驗，生動形象地介紹了如何高效開展藥物靶點的發現研究。相信本書的出版一定會使相關領域的研究人員有所裨益。需要注意的是，藥物靶點的發現與確證十分復雜，為了能更好地掌握相關技術，還需要讀者仔細閱讀相關技術方法所涉及的參考文獻。
除我本人擔任主譯外，本書的譯者還包括王鵬（中國藥科大學）、郭子立（浙江樹人學院）、章映茜（杭州師范大學）、馬朝（山東大學）、周建良（杭州師范大學）、林園園（杭州師范大學）和蔣筱瑩（杭州師范大學）多位老師。衷心感謝各位老師的努力和付出。此外，在翻譯中文版的過程中，我們還修正了原著中的錯誤，與原著作者溝通完善了部分內容，并替換了原著中不夠清晰的圖片。
感謝謝恬教授擔任譯著主審并為本書順利出版給予了幫助。
感謝化學工業出版社編輯團隊的辛勤付出，以及對本書成功出版的支持和幫助。
盡管主譯、主審和各位譯者盡了自己最大的努力，但難免有疏漏和不當之處，敬請各位讀者指正。

白仁仁
renrenbai@***
2024年6月 于杭州



原著前言
影響人體健康的疾病種類繁多。而對于受生活方式或年齡影響的疾病，其發病率在全球范圍內正呈上升趨勢。盡管有多種藥物和療法可供患者選擇，但仍有大量未能得到滿足的臨床需求，眾多患者正在急切盼望新藥的出現，以改善他們及家人的生活。大量研究人員致力于推動科學發展、開發新技術、發現未知物質、創造新療法，為社會和人們的生活帶來巨大的積極影響。
遺憾的是，新藥研發困難重重，且成功率極低。臨床試驗中的高失敗率及與之相關的高成本，是藥物研發面臨的一個艱巨問題。在被選定為候選藥物并經過Ⅰ期臨床試驗的分子中，只有10%能成功通過后續階段的臨床開發，獲得監管部門的批準，并最終應用于患者【1】。如果我們能改進藥物發現的進程并提高成功率，將對患者乃至整個社會的帶來重要影響。
臨床試驗面臨的主要挑戰和失敗的主要原因已被廣泛介紹，其中最常見的原因是候選藥物缺乏療效，或與當前標準療法相比缺乏差異化【2, 3】。這通常是由于藥物發現臨床前階段的靶點確證不足所造成的。除此之外，我們面臨的主要瓶頸是新興生物學領域總體上缺乏經過確證的靶點，以及如何發現與人體疾病相關的全新生物靶點和通路。然而，科學技術正在飛速發展，為藥物研發和臨床醫學領域的研究人員提供了大量機會，有助于他們發現與人體疾病相關的全新靶點。此外，新興技術還提供了必要的工具，可更有效地確證相關靶點，并在藥物發現的早期階段了解分子的作用機制。利用相關工具將確保我們能夠把精力和資源集中在最有可能成功的靶點和作用機理之上，為迫切需要治療的患者提供最有效的藥物。
藥物發現是一項真正的多學科工作。來自科學、信息學和工程學不同背景和領域的專家走到一起，相互協作，利用各自具備的知識和能力來找到問題的最佳解決方案。其中藥物化學家與化學生物學、生物信息學、化學、生物學和數據科學相關的研究人員及臨床醫生、其他學科的專家一樣，發揮了關鍵作用。我們需要繼續團結起來，共同努力，發展新思路，推動創新，將新科學和新發現轉化為新藥物。制藥公司、生物技術公司和學術界需要繼續緊密合作，共同解決關鍵問題，繼續向前邁進。好的思路可能來自世界的任何地方，而共同努力將加快有效靶點的發現速度，并利用我們目前掌握的各種療法進行有效的治療。蛋白質水解靶向嵌合體（PROTAC）等新模式的發現，聚類規律性間隔短回文重復序列（CRISPR）/Cas9 和各種小分子到大分子偶聯藥物等新模式的開發，以及DNA編碼文庫、低溫電子顯微鏡（cryo-EM）、膜結合蛋白X射線晶體學等拓展化學空間新篩選技術的出現，將有助于我們深入理解需要調控的蛋白質和復合物，從而進一步增強我們應對挑戰性靶點并了解其作用機制的能力。總之，這為我們提供了前所未有的機遇，向我們的藥物發現工作注入了無限激情。
本書由來自學術界和工業界的專家攜手撰寫，重點介紹了不斷發展的一系列技術和方法。相關技術和方法具有很強的實用性和影響力，有助于我們發現和確證全新的生物靶點。編寫本書的目的不是提供詳盡無遺的資料，而是重點介紹各種策略，并展示新技術對靶點發現和確證研究的影響，以及這些方法如何支持藥物發現研究人員有效開展靶點發現和確證研究。本書還介紹了常用技術和新興技術，展示了相關方法的最新應用實例。各章節劃分為基于化學的方法、基于生物學的方法和基于信息學的方法，以突出可用技術的范圍及相關研究的多學科性。所介紹的每種方法都具有互補性，對靶點發現和確證具有至關重要的影響。
在此感謝所有作者抽出寶貴時間與我們分享他們的知識和經驗，幫助我們加深對重要方法的理解，以有效地應用相關方法來提高靶點發現和確證的成功率。
藥物發現是一項具有挑戰性、以創新為動力的復雜工作。在此過程中，提高發現和確證人體疾病靶點的效率，無疑將大幅提高新藥研發的成功率。

Alleyn T. Plowright

第1章　評估新藥靶點的化學策略  001
1.1　引言  001
1.2　化學基因組化合物和化學探針的使用和研究案例  004
1.2.1　化學基因組學庫  005
1.2.2　無活性對照  006
1.2.3　生物靶點組的使用和分析  007
1.3　化學探針的開發  008
1.3.1　從BIX01294至EPZ035544：G9a/GLP抑制劑的開發和優化/ 008
1.3.2　BRD9抑制劑的開發  010
1.4　基于患者來源細胞的化合物靶點評估  012
1.4.1　基于化合物的靶點評估  012
1.4.2　患者來源的細胞測試  013
1.4.3　靶點評估的方法  013
1.4.4　案例：炎性腸病組織平臺  014
1.5　總結與展望  015
參考文獻  016

第2章　基于親和力的化學蛋白質組學靶點識別  021
2.1　引言  021
2.2　分子表型作用機制的闡明  023
2.3　蛋白質檢測讀出的定量高分辨率質譜法  024
2.4　基于裂解物親和性的化學蛋白質組學  027
2.4.1　親和探針的設計  027
2.4.2　常規實驗的下拉工作流程  028
2.4.3　限制  033
2.5　基于細胞內光親和力的化學蛋白質組學  034
2.5.1　PAL探針的設計  034
2.5.2　常規實驗工作流程  035
2.5.3　限制  035
2.6　靶點確證和作用方式  035
2.7　總結  038
參考文獻  039

第3章　化學蛋白質組學技術  045
3.1　引言  045
3.2　基于活性的探針和基于親和力的探針設計  046
3.2.1　活性部分（反應基團）  046
3.2.2　報告標簽  049
3.2.3　連接臂  049
3.2.4　生物正交化學  050
3.3　化學蛋白質組學工作流程  052
3.3.1　質譜定量蛋白質組學  053
3.4　ABPP應用及案例研究  056
3.4.1　案例研究1：基于活性的蛋白質分析是一種嗜極古菌中酶鑒定和篩選的強大方法  057
3.4.2　案例研究2：脂肪酸酰胺水解酶抑制劑的臨床試驗失敗  060
3.4.3　案例研究3：小分子抑制劑的靶點識別  062
3.4.4　案例研究4：光親和標記輔助的基于片段的配體發現  065
3.4.5　案例研究5：基于猝滅熒光活性的探針（qABP）設計及其在蛋白質定位中的應用  070
3.5　總結  071
參考文獻  073

第4章　激酶微球：一種用于激酶抑制劑選擇性表征和靶點發現的化學蛋白質組學方法  087
4.1　化學蛋白質組學在激酶抑制劑靶點解析中的應用  087
4.1.1　小分子激酶抑制劑的多靶點效應  087
4.1.2　激酶抑制劑的化學蛋白質組學分析  090
4.1.3　化學蛋白質組學實驗開發的技巧和建議  092
4.2　Kinobeads的詳細實驗方案  094
4.2.1　細胞或組織裂解液  095
4.2.2　親和基質  095
4.2.3　Kinobeads競爭性實驗  098
4.2.4　質譜檢測  099
4.2.5　多肽及蛋白質的鑒定與定量  099
4.2.6　數據分析  099
4.3　Kinobeads的應用案例  100
4.3.1　Kinobeads靶點覆蓋面的擴展  100
4.3.2　小分子激酶抑制劑的靶點解析  103
4.3.3　抑制劑多靶點效應的機遇：藥物再定位  105
4.3.4　化學蛋白質組學導向的藥物化學  106
4.4　Kinobeads、抑制劑和藥物發現：路在何方？  108
4.4.1　什么是好的藥物？  108
4.4.2　如何在未來發現新藥？  108
4.4.3　化學蛋白質組學導向的藥物發現的陰陽機制  109
參考文獻  109

第5章　用于靶點發現和確證的非標記技術  115
5.1　引言  115
5.2　CETSA技術的研究  116
5.3　細胞熱轉移分析的設計  119
5.3.1　經典的細胞熱轉移分析  119
5.3.2　細胞熱轉移分析的高通量篩選  121
5.3.3　細胞熱轉移分析的質譜分析  123
5.4　靶點發現  124
5.4.1　活性苗頭化合物的生成  124
5.4.2　工具生成（用于識別工具化合物的小型篩選）  125
5.4.3　范圍內外和困難的靶點  125
5.4.4　聚焦或迭代庫的篩選  126
5.4.5　片段庫篩選  126
5.4.6　苗頭化合物的確認  126
5.4.7　基于表型苗頭化合物去卷積化的靶點發現  127
5.5　靶點確證  129
5.5.1　結合模式  129
5.5.2　選擇性、特異性和安全性  129
5.5.3　從實驗到臨床（基于動物實驗）  130
5.6　總結  131
參考文獻  132

第6章　支持高效藥物靶點選擇和分層醫學的逆向翻譯  135
6.1　引言  135
6.2　藥物發現中的遺傳學  135
6.3　靶點發現的遺傳學策略  138
6.3.1　全基因組關聯分析研究  138
6.3.2　罕見病遺傳學  140
6.3.3　體細胞突變  142
6.3.4　分析方法  142
6.4　功能確證  144
6.4.1　假定突變的優先級  144
6.4.2　確定突變的功能結果  144
6.4.3　可成藥性：從基因確證到可藥用靶點  148
6.5　前瞻性展望  149
6.5.1　疾病的分子分類學  149
6.5.2　精準醫療  149
6.5.3　數據整合  150
6.6　總結  150
參考文獻  151

第7章　基于人體細胞模型系統的靶點生物學和藥物作用機制  155
7.1　引言  155
7.2　人體細胞模型開發的研究進展  157
7.2.1　第二代測序  158
7.2.2　CRISPR基因組編輯  159
7.2.3　誘導多能干細胞生物學  159
7.2.4　3D細胞和類器官模型  160
7.2.5　微流控和器官芯片設備  162
7.2.6　活體成像  162
7.2.7　高內涵成像  165
7.3　靶點生物學和藥物作用機制的多參數高內涵表型鑒定  165
7.3.1　功能基因組學中的高內涵細胞成像  167
7.3.2　多參數高內涵成像與化學信息學的結合  167
7.3.3　多參數高內涵分析指導化學設計和靶點選擇性  169
7.4　用于表型篩選和作用機制測試的靶點注釋化合物庫  170
7.5　跨越新模型系統的定量通路分析  170
7.5.1　基因轉錄水平上的通路分析  171
7.5.2　跨劑量反應和時間序列研究的動態翻譯后通路分析  172
7.6　總結  174
參考文獻  175

第8章　靶點確證中的細胞生物學方法  183
8.1　引言  183
8.2　生物標志物  183
8.2.1　直接靶點參與生物標志物  183
8.2.2　間接靶點參與生物標志物和通路生物標志物  185
8.2.3　響應生物標志物  185
8.2.4　生物標志物間的相關性  186
8.3　靶點調控引起細胞響應的直接證據  190
8.4　通過突變賦予對現有藥物敏感性的方式得到靶點調控導致細胞反應的直接證據  190
8.4.1　“碰撞-孔洞”方法獲得敏感性小分子抑制劑  190
8.4.2　誘導蛋白質靶點降解的化學基因組學方法  191
8.5　耐藥性突變  196
參考文獻  198

第9章　靶點識別和確證的遺傳操作與調節  203
9.1　引言  203
9.2　主要遺傳操作技術的發展概況  204
9.2.1　RNAi、ZFN和 TALEN  204
9.2.2　規律成簇間隔短回文重復序列  206
9.3　設計和闡釋CRISPR實驗的注意事項  207
9.3.1　CRISPR/Cas技術進行遺傳操作的方法學思考  207
9.3.2　細胞模型的選擇：生物學和基因組學方面  208
9.3.3　gRNA設計  210
9.3.4　CRISPR/Cas技術的成功應用  215
9.4　CRISPR/Cas 技術的進一步發展促進了遺傳擾動的其他模式/ 219
9.4.1　CRISPRi  219
9.4.2　CRISPRa  219
9.4.3　基礎編輯  219
9.5　CRISPR/Cas技術在靶點識別和確證中的應用  220
9.5.1　用于早期靶點確證的CRISPR/Cas技術  220
9.5.2　CRISPR篩選及其靶點識別  220
9.5.3　CRISPR篩選：一般原則和注意事項  221
9.5.4　CRISPR篩選應用范圍的靶點識別示例  223
9.6　CRISPR基因組編輯在免疫學研究中的應用  225
9.7　總結  226
參考文獻  227

第10章　靶點推斷的計算方法  241
10.1　引言  241
10.2　用于靶點識別的數據注釋  242
10.3　靶點識別的計算方法  243
10.3.1　靶點推斷的2D相似性方法  246
10.3.2　靶點推斷的3D相似性方法  250
10.3.3　基于片段的方法  251
10.3.4　QSAR模型與機器學習  253
10.3.5　實驗衍生的分子描述符  257
10.3.6　基于結構的篩選  258
10.3.7　蛋白質-蛋白質和配體-靶點網絡  261
10.4　實際考量  262
10.5　總結  265
參考文獻  266

第11章　生物信息學方法在作用機制理解中的應用  281
11.1　引言：生物信息學介紹  281
11.1.1　相關定義：作用機制與作用模式  281
11.1.2　MoA和靶點預測在藥物發現過程中的重要性  282
11.1.3　MoA與靶點預測中的不同層次信息  283
11.2　轉錄組學數據和數據庫  284
11.2.1　轉錄過程的生物學背景  284
11.2.2　基因表達關聯性圖譜數據庫  284
11.2.3　基于集成網絡的細胞特征文庫LINCS  287
11.3　通路數據和數據庫  293
11.3.1　什么是通路？  293
11.3.2　通路分析過程  295
11.3.3　MoA理解中的通路  297
11.3.4　基因表達和通路數據的結合  298
11.4　基于圖像的數據  300
11.4.1　圖像數據及其提取  300
11.4.2　基于圖像的數據在靶點預測和更好理解MoA中的應用  301
11.5　總結  306

致謝  306

參考文獻  307

索引  313