北京大學Chem. Sci.：用于生物偶聯的硫醇-氧化硫葉立德光點擊反應

一、【導讀】

蛋白質化學修飾工具的開發促進了化學生物學和藥學研究的進步。其中，蛋白質半胱氨酸（Cys）殘基的選擇性修飾發揮著極為重要的作用。近年來，研究者對可見光介導的半胱氨酸選擇性生物偶聯進行了大量研究。但是，傳統的蛋白質Cys殘基修飾反應由于其他親核性殘基的存在，選擇性通常不高。而近年來開發的可見光促進的Cys殘基修飾反應又存在反應條件苛刻、生物相容性低和反應速率較慢等問題。

二、【成果掠影】

為了解決以上難題，北京大學深圳研究生院李子剛教授、深圳灣實驗室坪山生物醫藥研發轉化中心尹豐研究員、王蕊研究員聯合報道了一種無金屬的硫醇-氧化硫葉立德光點擊反應，該反應能夠在生物相容條件下實現高效和高選擇性的生物偶聯反應。通過機理研究，作者提出了一個光催化活化氧化硫葉立德得到高活性氧化锍鹽中間體的機理。氧化硫葉立德化合物本身的水溶性極好，而且該反應使用的光催化劑（核黃素衍生物）是一類常見的生物活性物質，因此提示了該反應潛在的優秀生物相容性。最后，通過生物素衍生的氧化硫底物，對細胞裂解液進行了蛋白組學研究，發現了其對蛋白質組中Cys殘基的選擇性超過90%，再次表明了該反應良好的化學選擇性和潛在的生物學應用價值。該論文以題為“The thiol-sulfoxonium ylide photo-click reaction for bioconjugation”發表在知名期刊Chem. Sci上，北京大學深圳研究生院萬川博士、研究生侯占峰和仲愷農業工程學院楊冬燕博士為該論文的共同第一作者。

三、【核心創新點】

通過一系列條件篩選，優化得到了一個高效和高選擇性的巰基-氧化硫葉立德光點擊反應，并提出了一個光催化活化氧化硫葉立德得到高活性氧化锍鹽中間體的機理，進一步通過對含Cys殘基的多肽和蛋白質的化學修飾，驗證了該反應的極快的反應效率和化學選擇性。

四、【數據概覽】

圖一、半胱氨酸選擇性生物偶聯反應 ? 2022 The Author

（a）文獻報道半胱氨酸選擇性生物偶聯的方法。

（b）本文報道的可見光誘導的巰基-氧化硫葉立德點擊反應。

圖二、氧化硫葉立德與巰基反應的范圍 ? 2022 The Author

化合物1（1 mmol，2當量），硫醇2-6（0.5 mmol，1當量），RFTA（2% mol）混合后在室溫下8 mL水中用可見光（450 nm）下照射20分鐘反應的產率。

圖三、機理研究 ? 2022 The Author

（a）RFTA和1a的紫外-可見光吸收光譜。

（b）光催化劑RFTA和氧化硫葉立德1a之間的Stern-Volmer熒光猝滅實驗。

（c）對照實驗：1a的光分解。

（d）氘代溶劑中的氫源。

（e）推測的反應機理。

圖四、Cys選擇性肽修飾的范圍 ? 2022 The Author

在PBS緩沖液（pH 7.4，加入25%MeCN以溶解肽）中，室溫可見光照射下，將氧化硫葉立德1（10 mM）、肽7-14（1 mM）、RFTA（0.5 mM）和硫脲（10 mM）作為溶劑，持續反應1分鐘，通過LC-MS測定產率。

圖五、蛋白質的半胱氨酸特異性修飾 ? 2022 The Author

（a）反應條件示意圖。

（b）BSA-1a加合物的ESI-TOF MS分析。

（c）BSA-1m加合物的ESI-TOF MS分析。

（d）泛素結合酶2C-1a加合物的ESI-TOF MS分析。

（e）Cys34上BSA-1a的MS/MS分析。

（f）BSA加合物的圓二色性（CD）分析。

圖六、硫醇-氧化硫葉立德光點擊反應的蛋白質組學應用 ? 2022 The Author

（a）基于凝膠和MS的蛋白質組學的工作流程示意圖。

（b）BSA-1m的WB分析。

（c）1m與細胞（HeLa和MCF-7細胞裂解物）反應的WB分析。

（d）不同濃度（2-10 mM）下1m和HeLa細胞裂解物之間反應的WB分析以及半胱氨酸反應性IAM的競爭性分析。

（e）蛋白質組中氨基酸選擇性的表征。

（f）通過1m的共有基序識別。

（g）蛋白質組學研究中鑒定的1m標記RPL37肽的注釋MS2。

五、【成果啟示】

綜上所述，研究人員報道了一種核黃素衍生物催化的硫醇-氧化硫葉立德光點擊反應，該反應能夠實現Cys特異性生物偶聯，同時具有較好的生物相容性，無需金屬催化就能實現快速反應動力學。這種不含金屬且高效的可見光促進的氧化硫葉立德活化反應用于蛋白質Cys殘基選擇化學修飾方法，為基于蛋白質化學修飾方法學的化學生物學和化學蛋白質組學研究增添了一類具有應用潛力的新工具。

文獻鏈接：The thiol-sulfoxonium ylide photo-click reaction for bioconjugation (Chem. Sci. 2022, DOI: 10.1039/D2SC05650J)

本文由大兵哥供稿