化院博士生伊善東等成功發(fā)展一種基于天然阿扎菲酮結(jié)構(gòu)的全新生物分子無痕跡交聯(lián)反應(yīng)
生物分子的化學(xué)修飾是研究調(diào)節(jié)其功能的重要方式，而高效、方便且可靠的生物分子修飾方案（包括新試劑開發(fā)）則更具有重要的應(yīng)用價(jià)值。針對生物大分子中含有特征性伯胺殘基的賴氨酸的化學(xué)修飾研究歷史很長，經(jīng)典的NHS活化酯修飾方法應(yīng)用范圍較廣，且取得極大的成功，但存在試劑水解穩(wěn)定性、副產(chǎn)物殘留及化學(xué)選擇性差等普遍性問題；當(dāng)前發(fā)展的一些金屬催化的新修飾方法也都存在下游純化和金屬殘留等問題。阿扎菲酮?(azaphilone) 是一類真菌聚酮類次生代謝產(chǎn)物，億萬年的自然界進(jìn)化形成了獨(dú)一無二的獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)特性。姚祝軍教授課題組圍繞阿扎菲酮類型天然產(chǎn)物chlorofusin的合成化學(xué)及反應(yīng)機(jī)理的系列研究工作 (Wei, W.-G., Yao, Z.-J., J. Org. Chem. 2005, 70, 4585; Qian, WJ; Yao, ZJ; et al., J. Am. Chem. Soc.2007, 129, 6400; Qiu, H.-B.; Yao, Z.-J.; et al., Tetrahedron Lett. 2014, 55, 6055; Qiu, H.-B.; Yao, Z.-J.; et al., Tetrahedron. 2015, 71, 370) 表明，阿扎菲酮在溫和弱堿性水相條件下可自發(fā)地與伯胺物種發(fā)生迅速且高度選擇性的反應(yīng)，生成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的乙烯基 γ-吡啶酮 (vPDN)， 其副產(chǎn)物僅為一分子的水。受此自然方式雜環(huán)形成過程的啟發(fā)，姚祝軍教授指導(dǎo)的博士生伊善東等最近成功發(fā)展了一種基于阿扎菲酮的全新原理高效、無痕跡的伯胺特異性偶聯(lián)試劑并成功應(yīng)用于多肽、蛋白質(zhì)和磷脂的修飾工作(Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61(6), e202111783; DOI: 10.1002/anie.202111783. Published on Feb. 1, 2022)。
圖1. 阿扎菲酮類型天然產(chǎn)物Chlorofusin和研究開發(fā)的新分子工具AZA-n系列.
研究表明, 分子工具AZA-1對賴氨酸殘基具有非常專一的化學(xué)選擇性。與此對比，包括半胱氨酸在內(nèi)的其他親核性氨基酸殘基以及不同程度甲基化的賴氨酸殘基都呈化學(xué)惰性。熒光光譜顯示賴氨酸修飾產(chǎn)物的熒光性質(zhì)明顯提高，有利于修飾后大分子產(chǎn)物的熒光表征；反應(yīng)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，反應(yīng)迅速且速率隨著pH的增加而提高；修飾產(chǎn)物在酸、堿及氧化條件下展示出高度的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步將AZA-1應(yīng)用于對蛋白質(zhì)的修飾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AZA-1能夠高效地修飾蛋白質(zhì)中的賴氨酸殘基以及N端胺基，并且修飾后的蛋白在480 nm藍(lán)光激發(fā)下有熒光信號，使得修飾蛋白的檢測更加便捷。進(jìn)一步地，研究人員還概念性地論證了新的修飾工具AZA-2不僅可以實(shí)現(xiàn)對藥用的曲妥珠單抗的數(shù)量可控交聯(lián)修飾，且可以結(jié)合經(jīng)典的炔烴-疊氮點(diǎn)擊化學(xué)引入需要的功能物質(zhì)（如熒光基團(tuán)或細(xì)胞毒素）；細(xì)胞影像證明修飾后的抗體仍具備專一性識別ErbB2陽性乳腺癌細(xì)胞的能力，為ADC藥物研發(fā)提供了一種新的潛在途徑（詳見Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 61(6), e202111783）。
鑒于阿扎菲酮分子工具對伯胺高度的化學(xué)選擇性修飾特性，研究者再次擴(kuò)展將另一分子工具AZA-3應(yīng)用于含有伯胺基團(tuán)磷脂的修飾分析。鑒于革蘭氏陽性菌與陰性菌、哺乳動物細(xì)胞在細(xì)胞膜磷脂組成上的顯著差異，細(xì)胞影像實(shí)驗(yàn)清晰表明，分子工具AZA-3成功實(shí)現(xiàn)了對革蘭氏陽性菌的選擇性修飾，為復(fù)雜樣品中革蘭氏陽性菌病原體的檢測提供了一種新的方便技術(shù)手段（圖2）。
圖2. 工具分子AZA-3用于細(xì)菌氨基磷脂修飾及對革蘭氏陽性菌的選擇性熒光染色實(shí)驗(yàn).
綜上，本項(xiàng)研究工作從天然阿扎菲酮的特殊化學(xué)性質(zhì)中獲得靈感，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)并發(fā)展了一類新穎的、無需化學(xué)活化和催化劑驅(qū)動的高效清潔的伯胺選擇性偶聯(lián)試劑，并成功應(yīng)用于不同場景下的多肽、蛋白質(zhì)和氨基磷脂的修飾與影像展示。該標(biāo)記試劑及其技術(shù)方案具有獨(dú)特的反應(yīng)機(jī)理、操作簡單、化學(xué)選擇性和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，并且試劑和產(chǎn)物都具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性。姚祝軍和王歡教授共同指導(dǎo)了該工作，化學(xué)化工學(xué)院博士研究生伊善東、魏思媛和吳青松共同參與完成了具體研究工作。研究計(jì)劃獲得國家自然科學(xué)基金委、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和深圳市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目的共同資助。
原文請參考：(a) Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61(6), e202111783; DOI: 10.1002/anie.202111783 (Published on Feb. 1, 2022); (b) 中國發(fā)明專利申請?zhí)枺?/span>202110966324.0 (申請日：2021年08月23日)。
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