有 “跳跃基因” 之称的转座子，是 DNA 中一段可移动的核酸序列，能作为一种改变生物体内 DNA 的工具，是遗传研究的利器。70 多年前，Barbara McClintock 从玉米中首次发现了转座子，并因此获得 1983 年诺贝尔奖。后来，科学家陆续在果蝇、桦尺蛾等昆虫、细菌、酵母乃至人类基因中发现了它的存在。
转座元件已被用于低等生物的常规遗传操作，包括转基因和插入诱变。然而，由于缺乏有效的转座系统，在高等动物中的使用仍然受限，面临插入数量与致病和表达效率之间的矛盾、突变位点受限而无法在全基因组中应用、以及稳定性等若干问题。
2005 年，发表于 Cell 的 “Efficient Transposition of the piggyBac（PB）Transposon in Mammalian Cells and Mice” 一文首先报道了来自粉纹夜蛾（Trichoplusia ni）的 piggyBac 转座子可用于哺乳动物。这项 0 到 1 的革命性突破，是转座子在小鼠和其他脊椎动物体内高效应用的第一步，也是最关键的一步。
这篇文章的通讯作者、著名华人学者许田，2018 年卸任耶鲁大学终身教授并回国担任西湖大学遗传学讲席教授、副校长。他是生长调控领域的创始人之一，其哺乳动物转座子和镶嵌遗传分析等多项发明在全世界广为应用，并成功产业化，是多家科技公司的创始人和顾问。
他所创立的 Drug Farm（药物牧场），是一家通过 piggyBac 转座子发现药物靶标的 first-in-class 药物研发公司，在中美两地逐步建立团队，现已确定若干新的免疫靶点，并开发出进入临床阶段的首创新药。近日，该公司获得《麻省理工科技评论》中国・第二届生命科学创业大赛 “最佳团队奖”，生辉借此机会采访了其联合创始人兼首席运营官 许枞博士。
许枞在哈佛大学获得遗传学博士学位，研究重点是使用基于图像的高通量化学筛选来识别骨骼肌干细胞自我更新中的化学物质。他发现了第一种肌肉干细胞自我更新药物，曾以第一作者发表 Cell 封面文章。
▲图 | 许枞（来源：受访者提供）
转座，低成本大规模的基因筛选手段
Drug Farm 建立了 IDInVivo⁺ 和 MedChem5 两大平台，前者基于转座子进行基因筛选，在具有完整免疫系统的活体动物中直接发现新药物靶点，后者利用深度学习技术进行药物分子的设计。
那么，该公司技术的灵魂 ——PB 转座子 —— 是如何筛选潜在靶点基因的呢？
转座子，由一段可被转座酶识别、剪切和粘贴的 DNA 序列组成，在转座酶的帮助下可以在基因组中随机移动。许田教授的团队对转座子序列进行了大量修饰与优化工作，使之同时带有失活或激活基因的遗传元件，并能在小鼠中稳定发挥作用。
当把转座子序列转入动物体内基因组后，转座在基因组的不同位置随机发生：当发生于 DNA 正链时，可以激活一个基因；发生在 DNA 负链时，可以失活一个基因。因此，一个转座的发生有 50% 的概率激活或失活某个基因。这些被转座子突变的基因，就是下一步遗传筛选的潜在靶点。
相比于 CRISPR、同源重组等传统基因敲除策略，通过转座子进行基因突变的巨大优势在于成本低且易扩大规模。
“通过传统转基因方法，将 PB 转座子显微注射到小鼠受精卵中，PB 转座子便会自动整合到小鼠基因组里。将这样的雄性小鼠与普通雌性小鼠交配，后代就可以稳定地保有转座子。” 许枞解释道，这种 “一次注射、稳定遗传”，且可以仅仅通过交配实现的 “自动化” 免保种模式，大大减少了工作量，“几乎零成本地进行基因敲除，比 CRISPR 敲除方式的成本降低了大约 1000 倍。”
（来源：公司官网）
如此交配产生的小鼠后代，可以直接用来做后续的遗传筛选，每个个体带有 1~4 个转座导致的基因突变。将足够多的随机突变集合起来，便可以几乎覆盖整个小鼠基因组。小鼠约有三万个基因，“可以实现在一年的时间内完成覆盖小鼠全基因组的突变。”
“这是目前为止全球效率最高的一种靶点发现策略。” 许枞解释说，这种 “以终为始” 的研发策略，直接利用遗传了转座子的活体免疫健全小鼠，省去了传统靶点发现策略中的从细胞到动物体内验证的阶段，而这段时间往往需要 1~3 年，成功率不足 1%。
据许枞了解，目前在全球产业界利用转座子筛选药物靶点的其他公司尚且未知。Drug Farm 的成果得益于前期的大量基础研究，拥有多项技术专利，“IDInVivo⁺平台是多年耐心坐冷板凳的结果。”
从乙肝到癌症，一举多得
如何确定哪个突变的基因与什么疾病有关？
在接下来的遗传筛选这一步，Drug Farm 选择了与炎症、免疫、抗感染相关的适应症，对小鼠进行致病试验。
选择这类适应症，主要源于以下考量：商业角度上，市场大，任一适应症可能产生 10-100 亿美金销售额，是众多药企的研发热点；临床价值角度上，这些慢性疾病也有巨大未被满足的医疗需求；疾病模型、上市路径都很成熟，一旦发现靶标，药物的开发成功率较高；Drug Farm 首先利用免疫健全的活体动物研究免疫机制，能够真实反映体内炎症和免疫的变化，克服了传统细胞实验靶点筛选平台的不足。
基于此，Drug Farm 首先选择了 “DSS 诱导肠炎模型”：将能够破坏肠道的化合物 DSS（葡聚糖硫酸钠盐）混入小鼠饮用水以破坏其肠道，从而诱导小鼠患肠炎。
患肠炎的小鼠肠道无法吸收食物，体重迅速下降，直至死亡，这个过程大约两周。但幸运的是，“几百只小鼠中有一只活了下来。提取其 DNA 并通过 PCR 扩增检测 PB 转座子所在的位置，从而发现了与治愈肠炎有关的潜在基因靶标。”
许枞继而分析了该基因可能的功能：1）与引起过激的免疫反应有关；2）与修复肠壁有关，在此情况下，基因若被破坏，修复速度将提升；3）与抗感染有关。而该小鼠得以存活的原因，就有可能是由于该基因被 PB 转座子敲除或激活，换而言之，PB 转座子模拟了药物对该基因的抑制或激活的效果。
炎症引发的不同适应症的生物学机制相同。在后续的动物试验中，该公司发现从肠炎发现的靶标也同样对乙肝、动脉粥样硬化、罕见失明、癌症适用。除了肠炎，该公司也从关节炎和肺炎发现了新靶标，现已发现 20 多个靶标。
针对靶标进行药物分子设计，Drug Farm 自主搭建了 MedChem5—— 一个专有的集成人工智能平台，利用多种新型神经网络，包括监督学习、主动学习和强化学习，实现快速的药物化学开发。
（来源：公司官网）
“我们开发这个平台是为专门应对 first-in-class 药物开发的几个挑战。首先，first-in-class 药物开发无法利用基于蛋白结构的药物设计的传统工具，因为许多源头创新的药物靶点的蛋白质结构还未被解析。另外，没有新靶点高活性的药物结构仍未知，因此无法解析药物与新靶点蛋白的共结晶的结构。”
“而 MedChem5 首先具有强大的药物设计功能，在高通量药物数据的基础上通过数据训练模仿药物化学家进行小分子药物的设计，且在判断药物活性等方面的能力上远远超过药物化学家。MedChem5 曾在一次药物化学设计的比赛上打败过 4 位人类药物化学家。另外，该平台可以高效地进行药物化学合成的资源分配：通过强化学习，利用过去 first-in-class 开发过程中提炼出的策略，在上万个 AI 设计的药物小分子中选择最合适的分子进行合成，实现了 first-in-class 药物化学开发最具挑战的活性优化与高效化学空间探索的最佳平衡。”
乙肝新药获批新西兰临床试验
Drug Farm 的产品管线中，针对乙肝和肝癌的药物 DF-006 已完成 I 期临床，针对罕见失明和肾病心血管疾病的 DF-003 药物马上进入临床试验；其他药物还在化学设计阶段。
许枞介绍，DF-006 是一种口服小分子药物，属于免疫激动剂，通过靶向肝脏激活肝脏先天免疫，实现机体对乙肝病毒的识别和清除。该药物所对应的靶标是重要的先天免疫调节位点。目前，DF-006 的 I 期临床试验已在新西兰奥克兰大学顺利完成。
Drug Farm 希望未来的产品针对全球市场。考虑到规范和成熟度，除了中国，该公司也在美国设立了团队以便沟通。
“作为一家首创药物研发公司，Drug Farm 的管线都来自于从 0 到 1 的源头创新，而创新得以延续则是基于该公司最大竞争优势 —— 上述靶标发现和药物设计平台。” 许枞总结说，“而公司成立后的一项里程碑事件，则是 2021 年 DF-006 获批进入新西兰进行临床试验，这也是中国企业首个在公司内部发现创新药物靶点，开发出进入到临床的 First-in-class 新药案例，填补了中国在该领域的空白。”
2021 年 2 月，Drug Farm 完成总额 5600 万美元融资，投资者包括百奥维达（BVCF）、药明康德企业风险基金、中南创投、德同资本和浙民投。
从 0 到 1，必然充满筚路蓝缕的艰辛，而一个认定这条路的公司，其团队或许也需要抱有一种浪漫主义精神。“我们不仅是为了个人职业发展，而是为了解决一个难题，一个关乎‘为什么’的终极追问，从而愿意牺牲多年时间专注其上，无怨无悔。”
参考资料：
1.https://doi.org/10.1016/j.cell.2005.07.013