上海藥物所發現點擊化學操控新策略

2020-07-30 小材科研

近日，中國科學院上海藥物研究所研究員黃蔚課、楊偉波課題組在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為Manipulating the click reactivity of dibenzoazacyclooctynes: from an azide cliker to a caged acylation reagent.的文章，報導了點擊化學試劑二苯並氮雜環辛炔（DBCO）的銀催化重排和轉醯胺反應，通過其「籠縛」醯化反應性，實現蛋白/糖蛋白修飾和抗體定點偶聯。

疊氮-炔環加成反應的點擊化學，被廣泛應用於有機化學、藥物化學、化學生物學、分子生物學、細胞生物學等多學科領域。銅催化疊氮-炔點擊化學反應是一類高效的生物正交反應，但銅催化體系在生物體系中具有較差的生物相容性。環張力炔基如DBCO、BCN等可以在無銅催化的溫和條件下實現疊氮-炔基的環加成，極大地促進了點擊化學在活生物體系中的應用。

上海藥物所發現點擊化學操控新策略

圖1：DBCO的點擊化學反應性操控：（1）與疊氮的無銅催化環加成反應；（2）酸催化重排反應；（3）銀催化轉醯胺反應。

研究團隊發現環張力炔基DBCO結構可以在酸性條件下重排喪失其點擊化學反應活性。通過研究進一步發現，銀試劑AgNTf2或AgOAc可以在中性條件下促進DBCO快速重排生成四環產物，並且當反應體系有胺類化合物時，會發生轉醯胺反應，形成新的醯胺產物。在此過程中，銀試劑催化轉醯胺反應具有「籠縛」醯化試劑屬性：無催化劑條件下其醯化活性「束縛」在DBCO「籠狀」結構中，而在銀催化下從「籠」中釋放其醯化能力。在與疊氮基團的競爭反應中，銀試劑催化轉醯胺反應效率遠高於疊氮點擊化學反應，醯化產物產率高達95%。

研究團隊選擇了不同的含有氨基的小分子化合物、多肽、糖肽、蛋白、糖蛋白等，對該反應進行了底物反應活性和選擇性的探索（圖2）。研究發現，銀催化條件下，DBCO可以快速的醯化氨基官能團；針對三種包含20種天然胺基酸的多肽底物的研究發現，DBCO醯化反應高選擇性地發生在Lys的氨基上，而不影響其他胺基酸。同時，銀催化DBCO醯化反應可以高效地修飾糖肽、BSA蛋白、糖蛋白RNase B和IgG抗體等，表現出較好的底物適用性。此外，銀催化醯化反應可以實現Ph.D.12商業噬菌體庫的修飾且不影響噬菌體侵染活力，說明該方法具有應用於活生物體系中的潛力。

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圖2：銀催化DBCO轉醯胺反應的底物適應性。DBCO結構包含Succinyl-DBCO、FITC-DBCO、Cy5-DBCO等；氨基底物包含胺基酸、多肽、糖肽、蛋白、糖蛋白和噬菌體。

該研究團隊還設計了一種DBCO標記的抗體Fc靶向肽，實現了抗體上特定Lys的定點醯化修飾（圖3）。利用靶向肽與抗體Fc的親和力，將其DBCO標記基團運輸到K249附近，在此過程中，DBCO的醯化活性處於「籠縛」狀態而不會與抗體發生隨機偶聯。而在銀催化下，DBCO重排，相應醯基選擇性地修飾Fc區域的K249，高效實現了抗體的定點偶聯，為定點抗體藥物偶聯物的設計提供了新的方法與思路。

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圖3：DBCO標記的Fc靶向肽應用於曲妥珠單抗上K249的定點偶聯

綜上所述，銀催化下DBCO重排醯化反應，改變了DBCO的點擊化學反應性，從一個疊氮點擊反應試劑，轉變為高效、溫和、可控的「籠縛」醯化試劑，且具有很好的生物兼容性，可以應用於多肽、糖肽、蛋白、糖蛋白、噬菌體等多種生物活性底物。此外，DBCO標記的Fc結合肽可以選擇性地醯化抗體上的特定Lys，實現抗體的定點偶聯。該方法在化學生物學領域具有廣泛的應用前景，可以用於配體導向的靶蛋白定點修飾、配體-受體共價捕獲、相互作用蛋白-蛋白交聯等。

黃蔚課題組一直從事蛋白糖基化調控與修飾（Nat. Protoco. 2017, 1702; Org. Biomol. Chem. 2016, 9501; J. Am. Chem. Soc. 2012, 12308）、細胞表面糖鏈編輯(Nat. Chem. Biol. 2020, doi.org/10.1038/s41589-020-0551-8)、糖結構藥物(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 6678; J. Med. Chem. 2018, 286)等方向研究；楊偉波課題組聚焦天然產物啟發的大環庫構建新方法學研究，包括過渡金屬催化碳氫活化、卡賓偶聯以及重排等。黃蔚課題組博士生施偉和博士後唐峰為文章共同第一作者，黃蔚和楊偉波為共同通訊作者。該項目獲得了國家自然科學基金、國家「重大新藥創製」專項等項目資助。

來源：上海藥物所

論文連結

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202009408

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