亚氨基酸构象
科普作家Bethany Halford在博客上详细讲述了辉瑞的重磅COVID-19口服抗病毒药Paxlovid的开发过程，这个发现过程是个精彩绝伦的科学故事。
我一直对抗病毒小分子充满兴趣，所以我十分关注这些药物的开发，并一直在微博上报道。我之前讲过开发历经十几年的HIV重磅抗病毒药—HIV衣壳抑制剂GS-6207的发现过程。而这里的高活性抗病毒药Paxlovid的开发，只用了不到两年。其开发过程可以说是抗病毒小分子药物研发的另一个典范。我虽然对药物化学很感兴趣，但毕竟不是药化出身，希望学药化的同行指正。
Paxlovid可将COVID-19住院或死亡的风险降低88%，并且这是目前唯一可以降低病毒载量的小分子抗病毒药。随着高度传染性Omicron突变株导致COVID-19病例在世界范围内激增，医生们希望Paxlovid能成为一些患者的生命防线。上个月底FDA授权了Paxlovid的紧急使用（EUA），联邦政府立刻购买了2000万个疗程的药物。辉瑞宣布计划在今年进行1.2亿个疗程的生产，并寻求FDA的全部通过。
这个药物开发的故事开始于2020年3月13日，辉瑞美国麻省剑桥分布的英国裔药物化学家Dafydd Owen被要求在家上班（WFH），那时辉瑞关闭了大量办公室和实验室，并要求员工在家上班。而Owen的经理让他在家筹划开发抗病毒小分子，以应对疫情。Owen作为资深的药物化学家从英国剑桥大学获得有机合成博士学位，并在辉瑞公司工作了22年。11年前他移居美国，进入辉瑞的麻省剑桥分部。他擅长药物化学最经典的药物，酪氨酸激酶药物的高通量筛选（HTS）及开发。酪氨酸激酶靶点药物的开发，是药物化学领域最经典的开发案例，Janet Rowley发现慢性粒细胞白血病患者有异位形成的费城染色体表达酪氨酸激酶，瑞士诺华公司的靶向酪氨酸激酶的药物格列卫（Gleevec，imatinib）的开发故事被传颂了几十年
在这里之所以要谈格列卫，是因为开发抗病毒和开发抗肿瘤小分子药物具有共性，就是药物往往针对病毒和肿瘤的异常的酶结构，根据酶分子的构象设计和筛选药物。Owen之前没有开发过抗病毒药，对从头开发一种抗病毒药毫无头绪，但是他的酶化学及HTS经验赋予了他独特的创新视角。在周末疯狂补习抗病毒药物开发的同时，辉瑞公司决定优先开发SARS-CoV-2的主要蛋白酶3CL（Mpro）。
3CL的主要功能是切割病毒的复制酶replicase多蛋白pro-protein，经3CL切割后的replicase才具有功能。辉瑞之所以选择该靶点进行开发，主要是因为在2002-2003年非典疫情中，辉瑞开始开发SARS抗病毒药PF-00835231，PF-00835231的靶点是SARS-CoV的蛋白酶。PF-00835231始终没有进行临床试验，因为PF-00835231临床前开发时，SARS疫情已经结束。
PF-00835231是一个药物化学中的多肽类小分子药物，其富含氢键，具有极性表面，无法被肠道吸收，因此要将其改造成为口服SARS-CoV-2药物需要进行一系列化学修饰。这便是Owen团队面临的最大挑战。Owen最终于2020年4月重返实验室，在之后的13个月，他在家里设置了临时办公室，主要设计和讨论如何使PF-00835231及其抗病毒衍生物获得口服特性，其中一个策略是消除氢键供体，Owen团队由此运用了系统化学修饰，逐一消除氢键供体，再检测消除氢键后的每一个化合物的功能。该团队从PF-00835231中消除的第一个氢键供体是α-羟甲基酮。该位点与3CL中的半胱氨酸发生共价反应，因此药化专家推断他们可以将其替换为不是氢键供体的不同反应基团。他们选择了两个系列的化合物：一个具有苯并噻唑-2-基酮作为反应基团，另一个含有腈的反应基团。 直到药物活性实验接近尾声，化学家才在两者之间进行选择。
另一个重要的氢键供体位于PF-00835231的亮氨酸部分。Owen团队决定用可以消除N-H健的环状氨基酸替换该部分。为了实现类亮氨酸结合，该基序还具有一个带有两个甲基的稠合环丙基环。计算机辅助药物设计表明该结构将插入酶结合位点。而幸好这种设计有个先例：先灵葆雅曾在丙型肝炎（HCV）抗病毒药物boceprevir中使用过它。
这个化学修饰实际上是该工作最关键的部分。Owen评价说环化是有机合成中的大决战，它直接这个药物设计的成败，因为一旦分子环化后，化学修饰无法再改变分子构象。事实证明，这一设计是成功的，但代价是消除氢键后，该分子与蛋白酶口袋中的甘氨酸结合减弱，造成了药物活性的降低。为了恢复与甘氨酸的相互作用，研究团队将PF-00835231的吲哚进行了各种置换尝试，包括甲磺酰胺、乙酰胺和三氟乙酰胺。 这三个分子看起来很相似，但只有三氟乙酰胺的置换产物能被肠道吸收。
科普：让构建分子发生革命性变化的巧妙工具——2021年诺贝尔化学奖成果解读
新华社北京10月6日电（记者张莹）从太阳能电池到轻便跑鞋，再到治疗各种疾病的药物，许多工业产品依赖于化学家合成的能力。然而要让肉眼不可见的化学成分按人类所需的方式合成新分子并非易事。2021年诺贝尔化学奖得主本亚明·利斯特和戴维·麦克米伦的成就是，各自独立开发出一种分子构建工具——不对称有机催化，它广泛用于新药开发，并使化学合成变得更“绿色”。
催化剂是化学合成的一个重要工具，它本身不参与化学反应，但可以改变反应速率，大幅提高合成效率。19世纪的化学家已发现催化现象。1835年，瑞典著名化学家贝尔塞柳斯（也译作贝采里乌斯）首先指出，有一种新的“力量”可以“产生化学活动”，并列举某些物质的存在就可以驱动化学反应，这种现象就是“催化”。
此后，催化剂的广泛应用带来化学合成工业蓬勃发展。在催化剂的帮助下，人类可以很容易地获得药品、塑料、香水等生活所需品。据估计，目前全球约35%的国内生产总值（GDP）涉及化学催化。
然而直到2000年，广泛使用的催化剂仅有金属和酶两大类。其中金属催化剂很难用于大型工业生产，因为它们对氧气和水敏感，而大型工业生产中难以创造无氧无水的环境。此外许多金属催化剂是重金属，对环境有害。
另一类催化剂酶是蛋白质。生物体内的酶数以千计，它们驱动生命所必需的反应。许多酶还是不对称催化“专家”，可合成手性分子。手性分子是指与其镜像分子不能互相重合的、具有一定构象的分子。同样的化学组分可以生成互为镜像的手性分子，其特性可能有很大差异。化学家通常只需要其中一种，尤其是生产药品时，另一种手性分子可能作为杂质混入，这就需要不对称催化来控制反应。
上世纪90年代，开发新型酶催化剂成为热门领域，利斯特的工作就是从此开始的。在研究抗体酶时，利斯特开始“跳出盒子”思考酶究竟如何工作。酶一般是由数百个氨基酸组成的巨大分子，许多酶还含有可能具有催化作用的金属组分，然而大量酶催化的反应并不需要这些金属组分参与，而是由酶分子中一个或几个氨基酸驱动。他提出的问题是：氨基酸必须作为酶的一部分才能发挥催化作用吗？一个单独的氨基酸或类似的简单分子，能做同样的工作吗？
利斯特测试了用脯氨酸催化羟醛反应的效果。之前曾有研究人员测试过脯氨酸的催化效果，但研究没有持续下去，所以利斯特起初没有抱太大希望。然而出人意料的是，脯氨酸立即起作用了！利斯特不仅证明它是一种高效催化剂，而且还能驱动不对称催化。在两种可能的手性分子产物中，利用脯氨酸催化可以使其中一种占主导。
与金属和酶相比，脯氨酸是一种简单、便宜、环保的分子，因此成为化学家梦寐以求的催化工具。“这类催化剂的设计和筛选是我们未来的目标之一。”在2000年发表这项新成果时，利斯特将有机物驱动的不对称催化描述为一个充满潜力的新概念。
麦克米伦也在朝同样的方向努力。他曾致力于利用金属改善不对称催化，然而因为金属用于工业生产的局限性，最终转向设计有机催化剂。有机物通常有一个稳定的碳原子骨架，上面附着含有氧、氮、硫、磷等元素的化学基团。麦克米伦判断，能形成亚胺离子的有机物具有催化能力，因为亚胺离子含有的氮原子对电子有较强的亲和性。他据此选择了几种有机分子，并测试它们驱动狄尔斯-阿尔德反应的能力。结果如他预料，一些有机分子不仅有效驱动反应，在不对称催化方面也很出色，在两种可能的手性分子产物中，其中一种能占产物的90%以上。
麦克米伦意识到用有机小分子催化是一种可以推广的方法，需要找一个术语来描述。2000年，他在这项成果的相关论文引言中说：“在此，我们介绍了一种‘有机催化’新策略，我们希望它能用于一系列不对称转化。”
2000年以来，有机催化剂的发展堪比“淘金热”，而利斯特和麦克米伦保持领先地位。他们设计了大量廉价而稳定的有机催化剂，可用于驱动各种不对称催化反应，还可以用于级联反应，使化工生产中的多个反应步骤连续执行，减少中间产物浪费，大幅提高反应效率。
不对称有机催化的发展对药物合成产生重大影响。在不对称催化广泛应用之前，许多合成药物中包含两种互为镜像的手性分子，其中一种具有活性，而另一种是杂质，有时会带来不良反应。一个灾难性的例子是，抗妊娠反应药物沙利度胺因混入手性分子杂质，而在上世纪中叶造成数以千计人类胚胎发育畸形。而现在利用有机催化剂就可以简单地获取手性分子。制药企业也利用有机催化剂简化现有药品生产流程，例如治疗焦虑和抑郁的帕罗西汀和治疗呼吸道感染的抗病毒药物奥司他韦等。
科普：让构建分子发生革命性变化的巧妙工具——2021年诺贝尔化学奖成果解读
《原清华大学生物学教授颜宁在科学技术实验上的探索与创新》
1996年-2000年清华大学生物科学与技术系学士；
2000年-2004年美国普林斯顿大学分子生物学系，博士，导师为结构生物学家、清华大学教授、中国科学院院士、欧洲分子生物学学会外籍会士、美国国家科学院外籍院士、美国人文与科学院外籍院士施一公；
2005年-2007年 美国普林斯顿大学分子生物学系从事博士后研究；
2007年-至今清华大学教授、博士生导师；
2017年5月7日从清华大学证实，颜宁已接受美国普林斯顿大学邀请，受聘该校分子生物学系雪莉·蒂尔曼终身讲席教授的职位。
研究方向
人类基因组中编码蛋白的所有基因约有30%编码膜蛋白。
膜蛋白在一切生命过程中起着关键作用，具有重要的生理功能。FDA批准上市的药物中,约50%的作用靶点为膜蛋白。
因此，对膜蛋白结构与功能的研究具有极高的生物学意义及医药应用前景。
转运蛋白（transport proteins）是膜蛋白的一大类，介导生物膜内外的化学物质以及信号交换。脂质双分子层在细胞或细胞器周围形成了一道疏水屏障， 将其与周围环境隔绝起来。
尽管有一些小分子可以直接渗透通过膜，但是大部分的亲水性化合物，如糖，氨基酸，离子，药物等等，都需要特异的转运蛋白的帮助来通过疏水屏障。
因此，转运蛋白在营养物质摄取，代谢产物释放以及信号转导等广泛的细胞活动中起着重要的作用。
大量疾病都与膜转运蛋白功能失常有关，转运蛋白是诸如抗抑郁剂，抗酸剂等大量药物的直接靶点。
研究主要集中在次级主动运输蛋白的工作机理上。
交替通路模型，被用来解释转运蛋白的工作机理，在这个模型中，转运蛋白至少采取两种构象来进行底物的装载及卸载：
一种向膜外开放，一种向膜内开放。有许多结构和生物物理学证据支持这个模型。
但是，仍有两个最有趣的基本问题没有解决。
第一，主动运输的能量偶联机制是什么？
第二，在转运过程中，是什么因素触发了转运蛋白的构象变化？使用基于结构的研究手段对次级主动运输蛋白进行研究，以期解决转运蛋白工作机理中的基本问题。
主要成就
2014年，颜宁率领的团队在世界上首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的三维晶体结构。
2015年进一步获得了具备更多构象的GLUT3结合底物和抑制剂的超高分辨率结构，从而清晰揭示了葡萄糖跨膜转运这一基本细胞过程的分子基础。
此外，她还对离子通道结构生物学领域做出重要贡献，解析了电压门控钠离子通道的晶体结构，最近又利用最新冷冻电镜技术获得了最大钙离子通道RyR1的高分辨率结构。
2015年进一步获得了具备更多构象的GLUT3结合底物和抑制剂的超高分辨率结构，从而清晰揭示了葡萄糖跨膜转运这一基本细胞过程的分子基础。
2016年9月-Science-关闭及开放构象的RyR2
2016年9月，颜宁教授研究组与加拿大卡尔加里大学陈穗荣研究组合作在《Science》（DOI:10.1126/science.aah5324）发表研究长文，揭示了已知分子量最大的离子通道Ryanodine受体RyR2亚型处于关闭和开放两种状态的三维电镜结构，探讨了RyR2的门控机制。
通过比较关闭和开放状态的两个结构，发现位于穿膜区域负责通透离子的通道有明显的变化：
在开放构象中，该通道发生扩张，从而使得钙离子能够顺利地从肌质网内部转移到细胞质中。通过对RyR2中每个相对独立的结构域的仔细比较和分析，认为中心结构域极有可能是引发RyR开放的关键，这一发现与之前有关RyR的功能研究结论相吻合。
另外，研究组还获得了分辨率为5.7埃的RyR1开放构象结构，并基于结构比对，初步分析了RyR1的门控机理，有关RyR1的成果已分别发表在《Nature》（Doi:10.1038/nature14063）和《Cell Research》（Doi:10.1038/cr.2016.89）上，有关Cav1.1的论文已分别发表于《Science》（DOI: 10.1126/science.aad2395）和《Nature》（Doi:10.1038/nature19321）杂志上。上述研究与最新的这篇研究论文极大地促进了人们对于兴奋-收缩偶联的理解。
2017年2月，真核生物电压门控钠离子通道的拓扑图和三维电镜结构
2017年2月，颜宁教授研究组在《科学》（Science, DOI: 10.1126/science.aal4326）在线发表了题为“Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near atomic resolution”的研究长文，在世界上首次报道了真核生物电压门控钠离子通道。
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