蛋白質(zhì)N-端選擇性仿生轉(zhuǎn)氨化合成抗HIV藥物取得進(jìn)展
蛋白質(zhì)N-端選擇性仿生轉(zhuǎn)氨化合成抗HIV藥物取得進(jìn)展
2021-04-15
蛋白質(zhì)的定點(diǎn)修飾是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)對(duì)蛋白質(zhì)特定位點(diǎn)進(jìn)行修飾，從而達(dá)到對(duì)蛋白質(zhì)改性或?qū)ζ溥M(jìn)行標(biāo)記等一系列目的。蛋白質(zhì)的定點(diǎn)修飾對(duì)反應(yīng)條件嚴(yán)格：反應(yīng)需要在水相溶液中進(jìn)行，同時(shí)蛋白質(zhì)其他側(cè)鏈基團(tuán)不參與反應(yīng)。上海交通大學(xué)王平特別研究員課題組一直以來(lái)致力于蛋白質(zhì)，多肽的化學(xué)合成與修飾。近日，該課題組與中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所鄭永唐研究員課題組合作，發(fā)展了一種由仿生的鄰醌介導(dǎo)對(duì)蛋白N-端進(jìn)行選擇性修飾的方法，并成功將其運(yùn)用于蛋白質(zhì)標(biāo)記，抗HIV藥物篩選等領(lǐng)域。[1]
圖1.?蛋白質(zhì)N端選擇性轉(zhuǎn)氨化
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??蛋白質(zhì)的N-端-α胺基相較于賴氨酸的ε胺基有較低的pKa，因而更具有親核性，是蛋白質(zhì)定點(diǎn)修飾的理想位點(diǎn)。在自然界中，銅胺氧化酶催化酪氨酸的側(cè)鏈酚基被氧化成鄰醌，鄰醌可將體系內(nèi)的一級(jí)胺氧化成醛，酮基。受此啟發(fā)，作者發(fā)展了蛋白質(zhì)仿生轉(zhuǎn)氨化的方法(圖1)。作者通過(guò)篩選多種鄰醌類(lèi)化合物與模板肽進(jìn)行反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鄰醌試劑在pH 6.5?的緩沖水溶液中具有最高的活性，能在兩小時(shí)內(nèi)將N-端為甘氨酸的模板肽8轉(zhuǎn)換為醛，隨后與乙氧基胺作用產(chǎn)生更穩(wěn)定的肟產(chǎn)物9，兩步總轉(zhuǎn)換率達(dá)到91%，而模板肽中的賴氨酸ε胺基在該反應(yīng)條件下產(chǎn)生的副反應(yīng)低于1%。該氧化條件適用于N-端為精氨酸、亮氨酸，賴氨酸，甲硫氨酸、谷氨酸，天門(mén)冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、色氨酸和天門(mén)冬酰胺等多肽的修飾，均能以高產(chǎn)率獲得修飾多肽(圖2)。
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圖2. 與N-端不同氨基酸殘基的轉(zhuǎn)氨化反應(yīng)
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圖3.蛋白N-端選擇性轉(zhuǎn)胺化修飾
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隨后，該方法被應(yīng)用于蛋白質(zhì)目標(biāo)物泛素及肌紅蛋白的修飾，均能以70%以上的轉(zhuǎn)化率得到目標(biāo)肟產(chǎn)物及生物素標(biāo)記的肌紅蛋白修飾產(chǎn)物。由于反應(yīng)條件對(duì)蛋白序列中游離的半胱氨酸巰基并不耐受，作者進(jìn)而發(fā)展了光敏保護(hù)基策略，即先將蛋白質(zhì)中游離的半胱氨酸與小分子2-硝基胡椒芐溴反應(yīng)而被選擇性保護(hù)，隨后進(jìn)行轉(zhuǎn)胺化反應(yīng)，最后通過(guò)光解脫除保護(hù)基，即得到目標(biāo)修飾蛋白質(zhì)。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中不需額外分離手段，只需通過(guò)簡(jiǎn)單萃取去除小分子反應(yīng)物即可，從而最大限度地維持了蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。作者將該策略成功應(yīng)用于含游離半胱氨酸的SUMO2和RNF4蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)胺化。
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圖4.?HIV輔助受體CCR5配體CCL4的N-端修飾及其抗HIV-1活性研究
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蛋白質(zhì)趨化因子CCL4是HIV輔助受體CCR5的配體。作者利用該策略對(duì)CCL4的 N-端進(jìn)行轉(zhuǎn)胺化修飾，快速得到了一系列修飾蛋白質(zhì)29-45。抗HIV-1活性體外實(shí)驗(yàn)表明，帶修飾蛋白質(zhì)30和31的抗HIV-1活性相較于表達(dá)的CCL4活性有顯著提高。該實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)蛋白質(zhì)化學(xué)合成與定點(diǎn)修飾聯(lián)用可以在短時(shí)間內(nèi)得到大量不同修飾的蛋白質(zhì)，這在很大程度上為抗HIV蛋白質(zhì)類(lèi)藥物的制備提供了技術(shù)手段。
??該工作成果發(fā)表于權(quán)威期刊Nature Communications。上海交通大學(xué)王平特別研究員和中科院昆明動(dòng)物所鄭永唐研究員為該研究論文共同通訊作者；王嗣堯、周清清、陳小平、羅榮華為共同第一作者。第一作者王嗣堯博士畢業(yè)于澳大利亞悉尼大學(xué)化學(xué)學(xué)院，師從Richard Payne教授，一直以來(lái)從事糖基化蛋白質(zhì)的全合成及方法學(xué)研究。博士畢業(yè)后以博士后身份加入上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王平課題組，并得到中國(guó)博士后國(guó)際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目資助。該工作還獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
[1]?Siyao Wang#, Qingqing Zhou#, Xiaoping Chen#, Rong-Hua Luo#, Yunxue Li, Xinliang Liu, Liu-Meng Yang, Yong-Tang Zheng,*Ping Wang*. Modification of N-Terminal α-Amine of Proteins via Biomimetic ortho-quinone-mediated Oxidation. Nat. Commun. DOI: 10.1038/s41467-021-22654-7.
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