大部分生物醫(yī)學(xué)研究和治療方法的開發(fā)都集中在人類基因組的一小部分，從而忽略了許多疾病相關(guān)蛋白以及相關(guān)的科學(xué)和商業(yè)機會。為此，2014 年，美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)啟動了Illuminating the Druggable Genome(IDG)計劃，旨在圍繞藥物靶標(biāo)促進探索目前尚未得到充分研究但可能成藥的蛋白質(zhì)。在本文中，我們也將通過探討IDG知識管理中心收集的基因、蛋白質(zhì)、化學(xué)與疾病的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而說明治療目標(biāo)的商業(yè)聚焦點和人類基因組治療靶點的機遇與挑戰(zhàn)。

為了更好的表征新靶點在疾病中的作用和選擇優(yōu)先度,研究人員建立了一套知識系統(tǒng)方法TDL (target development level, TDL),用于客觀說明人類蛋白質(zhì)里的靶標(biāo)可利用水平。這種新方法基本原理是:根據(jù)基因及其編碼蛋白質(zhì)的在疾病中的研究情況,結(jié)合化學(xué)小分子干預(yù)和疾病相關(guān)數(shù)據(jù),對人類基因組的各個區(qū)域進行分類,進而確定不同類別的蛋白成為針對特異性疾病創(chuàng)新藥物研發(fā)的新靶點的潛力。新方法將人類蛋白質(zhì)分為四類:已作為藥物靶標(biāo)的蛋白歸類為Tclin；已經(jīng)知道是作為小分子調(diào)節(jié)劑的分類為Tchem；被確認(rèn)為OMIM疾病表型相關(guān)或被Gene Ontology(GO)實驗現(xiàn)象注釋過的蛋白分類為Tbio；剩余的蛋白被歸類為Tdark。

圖1 適用于人類蛋白質(zhì)組的目標(biāo)發(fā)育水平類別

從圖1上我們可以看出38%的蛋白屬于Tdark;然而，人們對這些蛋白知之甚少并且只有最低數(shù)量的分子探針可以用。并且，Tdark蛋白質(zhì)往往也不是許多NIH R01資助的研究對象，與其他TDL中的蛋白質(zhì)相比，專利中的討論明顯更少。然而，從知識管理的角度來看，這并不令人驚訝，因為平均而言，蛋白質(zhì)的生物化學(xué)和藥理學(xué)在達到Tchem開發(fā)階段時可能會得到很好的研究。值得注意的是，對于治療性抗體和其他生物制劑的靶標(biāo)，可以完全繞過Tchem階段。

圖2 跨不同數(shù)據(jù)的目標(biāo)開發(fā)水平分布的模式：可視化Tdark 蛋白的知識缺陷。

而且通過對全球藥物銷售的商業(yè)活動分析看出（如表1），全球藥物主要的銷售只涉及3%的Tclin。目前人們能夠運用小分子特定和選擇性的干擾的蛋白只占人類蛋白組的10%。這也從另一方面再次表明，Tdark未得到充分的研究，還有相當(dāng)?shù)臋C會有新發(fā)現(xiàn)，市場潛力大，更需要進行進一步研究。其中，選擇適當(dāng)?shù)牡鞍踪|(zhì)作為藥物靶點仍然是一個復(fù)雜的過程，科學(xué)因素需要與商業(yè)因素（如公司投資者和醫(yī)療保險公司）和社會因素（如醫(yī)生和患者）以及法律因素（如監(jiān)管機構(gòu)的要求）相平衡。

表1 財務(wù)(銷售和NIH融資)活動

表2 具有抗T活性的臨床候選藥物(I-III期)總結(jié)化學(xué)蛋白質(zhì) 

GPCRs是一種膜結(jié)合的細胞表面受體，通過與異三聚體G蛋白、抑制素和其他細胞轉(zhuǎn)導(dǎo)器的相互作用來轉(zhuǎn)導(dǎo)信號。GPCR信號通路的改變與神經(jīng)精神疾病、免疫學(xué)疾病、胃腸疾病、心臟疾病、腎臟疾病、激素疾病、感染性疾病和許多其他疾病的發(fā)病機制和治療有關(guān)。GPCRs代表了人類基因組中最大的可用藥物靶點家族，有20%到30%的已批準(zhǔn)藥物對它們起作用。有數(shù)據(jù)表明略多于一半的非嗅覺GPCRs有針對它們的注釋藥物和小分子；請參見表3。

表3 可藥物基因組蛋白質(zhì)家族的TDL類別的當(dāng)前分布

且有分析：少數(shù)GPCRs—主要是生物胺、毒蕈堿和阿片類受體。并且，52種被歸類為Tdark的非嗅覺GPCR其可用性也已經(jīng)開始了“照明”過程。其中，126個非嗅覺GPCR和51個嗅覺 GPCR被發(fā)現(xiàn)與人類疾病有顯著關(guān)聯(lián)。盡管這些關(guān)聯(lián)中的大多數(shù)（近 59%）來自文本挖掘，但48個GPCR已從至少兩個信息渠道確認(rèn)關(guān)聯(lián)。值得注意的是，最近在結(jié)構(gòu)引導(dǎo)和化學(xué)信息學(xué)驅(qū)動的藥物發(fā)現(xiàn)方面的成功顯示了創(chuàng)造更安全、更有效的靶向GPCRs的藥物的前景。

離子通道介導(dǎo)細胞內(nèi)、細胞之間、細胞之間與其環(huán)境之間的信號傳遞。離子通道缺陷是人類許多主要疾病的基礎(chǔ)，也稱為通道病，包括神經(jīng)元疾病、糖尿病和心力衰竭。這使得離子通道成為藥物開發(fā)的有吸引力的目標(biāo)類別。離子通道主要是異質(zhì)體配合物，需要與特定位置的配體進行最佳的相互作用。

已知的許多藥物都能與離子通道結(jié)合，其中一些相互作用可能是導(dǎo)致副作用的原因。而要改進現(xiàn)有的藥物，就需要在靶標(biāo)（分子）水平上準(zhǔn)確地了解MoA和副作用分配。例如，麻醉藥氯胺酮，它被假定為一種非競爭性的N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)拮抗劑，已被用作抗抑郁藥。然而，對氯胺酮的抗抑郁作用的深入分析發(fā)現(xiàn)，其活性代謝物(2R，6R)-羥基氯胺酮(HNK)并不阻斷NMDA受體。相反，HNK顯示出α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(AMPA)受體的持續(xù)激活，并且缺乏氯胺酮相關(guān)的副作用。這可能為新型的、快速作用的抗抑郁藥的開發(fā)鋪平了道路。因此可以想象，目前歸類為 Tclin 或 Tchem 的一些離子通道在 MoA 和藥物特異性方面需要進一步說明。

而闡明Tdark離子通道的部分困難是生理環(huán)境的復(fù)制和蛋白質(zhì)在適當(dāng)?shù)漠惥垠w、成孔功能復(fù)合物中的表達。目前，還沒有可擴展的系統(tǒng)來研究功能復(fù)合物的定位。此外，大多數(shù)離子通道具有冗余功能的類似物。這也大大延遲了我們了解體內(nèi)離子通道功能及其在人類健康中的作用方面的進展。且研究表明其他缺乏計算斷言的Tdark蛋白質(zhì)都需要系統(tǒng)的基因組規(guī)模研究。

IDGKMC定量地證明在目前研究較少的Tdark蛋白中仍存在大量潛在重要疾病靶標(biāo)。在藥物發(fā)現(xiàn)的實際過程中,疾病新靶標(biāo)的選擇也是至關(guān)重要的。當(dāng)前,靶標(biāo)的選擇優(yōu)先性是學(xué)術(shù)和商業(yè)藥物研發(fā)機構(gòu)共同面臨的問題。通過使用TDL分組，我們可以突出多個目標(biāo)家族的知識積累和缺陷，一個共同的主題是，盡管已知很多，但仍有很大一部分蛋白質(zhì)組尚未得到充分研究。IDGKMC在闡明這些缺乏研究的地方的同時，也希望研究人員將被授權(quán)使用KMC提供的數(shù)據(jù)和知識來啟動這些目標(biāo)的研究項目。

表4 成功嘗試靶向暗基因組的例子

與特定疾病或受體去孤兒化（表 4）的確認(rèn)關(guān)聯(lián)仍然是分配資源和進一步研究Tdark蛋白的主要動機。如上所述，除了IDG外，研究Tdark蛋白的唯一一個有意的靶向研究是IMPC。截至2017年3月，已經(jīng)產(chǎn)生了對應(yīng)于4,165個人類基因的小鼠品系，并提供了可用的表型，其中2,788個已導(dǎo)致具有統(tǒng)計學(xué)意義的表型調(diào)用。在這2788種蛋白質(zhì)中，827種(436種Tdark)與2000年至2015年期間NIH資助的任何撥款都沒有關(guān)聯(lián)。相比之下，在1961個具有顯著IMPC表型呼叫的與NIH資助相關(guān)的蛋白質(zhì)中，只有120個是Tdark。

最后，IDG KMC以及其他從事藥物發(fā)現(xiàn)工作的數(shù)據(jù)分析師面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是可靠的預(yù)測：特別是在檢查Tdark蛋白時，實驗者想知道接下來要做什么實驗，首先應(yīng)該檢查哪些表型變化以及哪種途徑與特定疾病相關(guān)。