有机合成百科

二硫键-架桥反应修饰蛋白质 Disulfide-Bridging Protein Modification

以半胱氨酸(Cysteine, Cys)作为靶点进行的蛋白质修饰法是近年来的一大研究热点,而在这背后,却存在着诸多亟待解决的问题。

  • 半胱酰胺修饰法虽然反应性很高,对于有多个Cys存在的多肽或者蛋白质,位置选择性的Cys的修饰就显得尤为困难。
  • 通常生物体的蛋白质中的Cys基本上以二硫键连接的成对形式存在,通常化学生物学方法上修饰的都是unpaired的Cys,所以一般使用的都是人为导入Cys的重组蛋白。
  • 常用的半胱氨酸 – 马来酰亚胺共轭偶联法,其加成后的产物在细胞内还原条件下不稳定,因此应用范围的局限性比较大。
  • 表面露出度比较高的S-S键、对蛋白质的高次结构的稳定性息息相关,还原性切断S-S键→Cys修饰的方法会导致蛋白质结构的稳定性崩坏。

为了解决上述问题,二硫键架桥法(disulfide bridging)应运而生。本来是S-S键的部分用最少的原子数架桥,得到稳定均质的修饰体,使得蛋白质的高次结构基本得到维持。

基本文献

  • Brocchini, S.; Balan, S.; Godwin, A.; Choi, J.-W. ; Zloh, M.; Shaunak, S. Nat. Protoc.2006, 1, 2241. doi:10.1038/nprot.2006.346
  • Zloh, M.; Shaunak, S.; Balan, S.; Brocchini, S. Nat. Protoc. 2007, 2, 1070. doi:10.1038/nprot.2007.119
<Review>
<Chemist’s Guide>

反应实例

近年来开发出了各种各样的架桥试剂,稳定性、产率、毒性、preactivation顺序等各有差异[1-7]。

二氯四嗪试剂架桥后形成的结构可以作为SPAAC反应底物发挥作用[8]。

全氟苯[9]、二乙烯基砜酰胺[10]等试剂的开发也用于stapled peptide的合成。

实验技巧

S-S键的还原性切断试剂通常使用的是三(2-羧乙基)膦(TCEP)盐酸盐。该试剂可以再广域的pH条件下发挥作用(1.5 < pH < 8.5)。

二硫苏糖醇(DTT)也作为强力的还原剂被经常使用,然而使用条件限制在中性条件附近(pH>7),并且对架桥试剂的反应性比较差。

参考文献

  1. bissulfone: Shaunak, S.; Godwin, A.; Choi, J.-W. ; Balan, S.; Pedone, E.; Vijayarangam, D.; Heidelberger, S.; Teo, I.; Zloh, M.; Brocchini, S. Nat. Chem. Biol.2006, 2, 312. doi:10.1038/nchembio786
  2. disubstituted maleimide: (a) Smith, M. E. B.; Schumacher, F. F.; Ryan, C. P.; Tedaldi, L. M.; Papaioannou, D.; Waksman, G.; Caddick, S.; Baker, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1960. DOI: 10.1021/ja908610s (b) Schumacher, F. F.; Nobles, M.; Ryan, C. P.; Smith, M. E. B.; Tinker, A.; Caddick, S.; Baker, J. R. Bioconjugate Chem. 2011, 22, 132. DOI: 10.1021/bc1004685
  3. monosubstituted maleimide: (a) Marculescu, C.; Kossen, H.; Morgan, R. E.; Mayer, P.; Fletcher, S.; Tolner, B.; Chester, K.; Jones, L. H.; Baker, J. R. Chem. Commun.2014, 50, 7139. doi:10.1039/C4CC02107J (b) Richards, D. A.; Fletcher, S. A.; Nobles, M.; Kossen, H.; Tedaldi, L.; Chudasama, V.; Tinker, A.; Baker, J. R. Org. Biomol. Chem. 2016, 14, 455. doi:10.1039/C5OB02120K
  4. Pfisterer, A.; Eisele, K.; Chen, X.; Wagner, M.; Müllen, K.; Weil, T. Chem. Eur. J.2011, 17, 9697. DOI: 10.1002/chem.201100287
  5. arsenic acid: Wilson, P.; Anastasaki, A.; Owen, M. R.; Kempe, K.; Haddleton, D. M.; Mann, S. K.; Johnston, A. P. R.; Quinn, J. F.; Whittaker, M. F.; Hogg, P. J.; Davis, T. P. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4215. DOI: 10.1021/jacs.5b01140
  6. dibromopyridazinedione: (a) Chudasama, V.; Smith, M. E. B.; Schumacher, F. F.; Papaioannou, D.; Waksman, G.; Baker, J. R.; Caddick, S. Chem. Commun. 2011, 47, 8781. doi:10.1039/C1CC12807H (b) Maruani, A.; Smith, M. E. B.; Miranda, E.; Chester, K. A.; Chudasama, V.; Caddick, S. Nat. Commun. 2015, 6, 6645. doi:10.1038/ncomms7645 (c) Lee, M. T. W.; Maruani, A.; Baker, J. R.; Caddick, S.; Chudasama, V. Chem. Sci. 2016, 7, 799. doi:10.1039/C5SC02666K
  7. UV-alkyne: Griebenow, N.; Dilma, A. M.;Greven, Å. S.; Brse, S. Bioconjugate Chem. 2016, 27, 911. DOI:10.1021/acs.bioconjchem.5b00682
  8. Brown, S. P.; Smith, A. B. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4034. DOI: 10.1021/ja512880g
  9. Spokoyny, A. M.; Zou, Y.; Ling, J. J.; Yu, H.; Lin, Y.-S.; Pentelute, B. L. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5946. DOI: 10.1021/ja400119t
  10. Divinylsulfonamides: Li, Z.; Huang, R.; Xu, H.; Chen, J.; Zhan, Y.; Zhou, X.; Chen, H.; Jiang, B. Org. Lett. 2017, 19, 4972. DOI: 10.1021/acs.orglett.7b02464

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