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Angew. Chem.:上海药物所发现点击化学操控新策略
發表日期: 2020-07-24
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  2020年7月22日,中科院上海藥物研究所黃蔚課題組和楊偉波課題組在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Manipulating the click reactivity of dibenzoazacyclooctynes: from an azide cliker to a caged acylation reagent.”的文章,报道了点击化学试剂二苯并氮杂环辛炔(DBCO)的银催化重排和转酰胺反应,通过其“笼缚”酰化反应性,实现蛋白/糖蛋白修饰和抗体定点偶联。

  疊氮-炔環加成反應的點擊化學,被廣泛應用于有機化學、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。

  上海藥物所黃蔚研究員和楊偉波研究員合作,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快速重排生成四環産物,並且當反應體系有胺類化合物時,會發生轉酰胺反應,形成新的酰胺産物。在此過程中,銀試劑催化轉酰胺反應具有“籠縛”酰化試劑屬性:無催化劑條件下其酰化活性“束縛”在DBCO“籠狀”結構中,而在銀催化下從“籠”中釋放其酰化能力。在與疊氮基團的競爭反應中,銀試劑催化轉酰胺反應效率遠高于疊氮點擊化學反應,酰化産物産率高達95%。

  研究团队选择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,对该反应进行了底物反应活性和选择性的探索(图2)。研究发现,银催化条件下,DBCO可以快速的酰化氨基官能团;针对三种包含20种天然氨基酸的多肽底物的研究发现,DBCO酰化反应高选择性地发生在Lys的氨基上,而不影响其他氨基酸。同时,银催化DBCO酰化反应可以高效地修饰糖肽、BSA蛋白、糖蛋白RNase B 和IgG抗体等,表现出较好的底物适用性。此外,银催化酰化反应可以实现Ph.D.12商业噬菌体库的修饰且不影响噬菌体侵染活力,说明该方法具有应用于活生物体系中的潜力。

  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的定點酰化修飾(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的酰化活性處于“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,相應酰基選擇性地修飾Fc區域的K249,高效實現了抗體的定點偶聯,爲定點抗體藥物偶聯物的設計提供了新的方法與思路。

  綜上所述,銀催化下DBCO重排酰化反應,改變了DBCO的點擊化學反應性,從一個疊氮點擊反應試劑,轉變爲高效、溫和、可控的“籠縛”酰化試劑,且具有很好的生物兼容性,可以應用于多肽、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酰化抗體上的特定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,可以用于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)、细胞表面糖链编辑(Nat. Chem. Biol. 2020, doi.org/10.1038/s41589-020-0551-8)、糖结构药物(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 6678; J. Med. Chem. 2018, 286)等方向研究;杨伟波课题组聚焦天然产物启发的大环库构建新方法学研究,包括过渡金属催化碳氢活化、卡宾偶联以及重排等。黄蔚课题组博士生施伟和博士后唐峰为文章共同第一作者,黄蔚研究员和杨伟波研究员为共同通讯作者。药物所黄河课题组团队在抗体定点偶联的位点鉴定中给予了技术支持,黄蔚课题组毕业研究生敖继炜和郁群在项目早期酸催化DBCO重排工作中作出了重要贡献,为文章合作作者。该项目获得了国家自然科学基金、国家“重大新药创制”专项等项目资助。

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

  參考文獻:

  1.Shi, W.; Tang, F.; Ao, J.; Yu, Q.; Liu, J.; Tang, Y.; Jiang, B.; Ren, X.; Huang, H.; Yang, W.*; Huang, W.* (2020) “Manipulating the click reactivity of dibenzoazacyclooctynes: from an azide cliker to a caged acylation reagent.” Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202009408

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)銀催化轉酰胺反應。

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

圖3:DBCO標記的Fc靶向肽應用于曲妥珠單抗上K249的定點偶聯

(供稿部門:黃蔚課題組;供稿人:施偉)

 

 

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