▲第一作者：朱安蓮，李歆，白莉莉；通訊作者：李凌君，李祥
通訊單位：河南師范大學(xué)，香港大學(xué)；論文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19409-1 今日，來(lái)自河南師范大學(xué)的李凌君團(tuán)隊(duì)與朱安蓮博士/王鍵吉教授團(tuán)隊(duì)以及香港大學(xué)李祥團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)張禮和院士團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際知名期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Biomimetic α-Selective Ribosylation Enables Two-step Modular Synthesis of Biologically Important ADP-Ribosylated Peptides”的研究論文。受到自然界ADP-核糖化機(jī)制的啟發(fā)， 作者發(fā)現(xiàn)離子液體與水混合物能夠有效促進(jìn)輔酶煙酰胺腺苷二磷酸（NAD+）發(fā)生阿爾法選擇性的ADP-核糖化反應(yīng)。 利用該反應(yīng)，作者發(fā)展了目前最簡(jiǎn)便的兩步模塊化合成ADP-核糖多肽的路線，并快速制備出具有多維生物功能的、結(jié)構(gòu)多樣的ADP-核糖多肽。ADP-核糖化是一種高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)翻譯后修飾，它通過(guò)在靶蛋白質(zhì)特定氨基酸殘基引入ADP-核糖單元，對(duì)諸如DNA損傷修復(fù)等重要的生理和病理過(guò)程進(jìn)行調(diào)控。ADP-核糖化多肽是研究蛋白質(zhì)ADP-核糖化的重要分子工具，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合成困難。如何方便的制備ADP-核糖化多肽是該領(lǐng)域研究面臨的重要挑戰(zhàn)之一。
（一）離子液體促進(jìn)的選擇性仿生ADP-核糖化反應(yīng)
在本工作中，我們發(fā)現(xiàn)離子液體水溶液能夠模擬酶反應(yīng)體系，促進(jìn)內(nèi)源性分子NAD+與疊氮鈉反應(yīng)生成ADP-核糖疊氮。通過(guò)對(duì)于離子液體進(jìn)行篩選，最終發(fā)現(xiàn)乳酸二乙醇胺離子液體能夠立體選擇性（α：β = 25 : 1）地促進(jìn)ADP-核糖疊氮的合成。該離子液體/水反應(yīng)體系可在空氣中操作，無(wú)需惰性氣體保護(hù)，并適用于多種NAD+衍生物。通過(guò)串聯(lián)仿生的ADP-核糖化反應(yīng)和點(diǎn)擊化學(xué)，發(fā)展了高效的兩步制備ADP-核糖化多肽的新路線。該路線以易得的NAD+和固相合成的多肽為原料，在試管中進(jìn)行反應(yīng)，無(wú)線任何復(fù)雜反應(yīng)裝置，可在一天內(nèi)合成結(jié)構(gòu)多樣的ADP-核糖化多肽。（三） ADP-核糖化多肽與Macrodomain結(jié)構(gòu)域的特異性結(jié)合研究本研究合成的α型ADP-核糖化多肽能夠與天然的蛋白ADP-核糖化識(shí)別結(jié)構(gòu)域Macrodomian高特異性的、競(jìng)爭(zhēng)性的結(jié)合（EC50 = 2.1 μM；IC50 = 4.0 μM）。該結(jié)果表明此類新型的ADP-核糖化多肽可作為實(shí)用的分子工具研究蛋白ADP-核糖化的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與生物功能。（四）ADP-核糖化多肽在細(xì)胞勻漿中富集結(jié)合蛋白α型ADP-核糖化多肽能夠在HeLa S3細(xì)胞勻漿中有效地垂釣mH2A1.1和 PARP9蛋白。該結(jié)果顯示此類多肽有望用于研究ADP-核糖化參與的蛋白-蛋白相互作用，發(fā)現(xiàn)未知的ADP-核糖結(jié)合蛋白。本研究發(fā)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)合成的ADP-核糖化多肽能夠在PARP1催化下，有效地制備包含數(shù)百個(gè)ADP-核糖化單元的多肽，從而發(fā)展了一種新的ploy ADP-核糖化分子工具，有望用于檢測(cè)poly ADP-核糖化過(guò)程的分子機(jī)制及制備其特異性抗體。▲圖-1 離子液體促進(jìn)的仿生ADP-核糖化反應(yīng)。（A）酶促ADP-核糖化反應(yīng)中的協(xié)同作用；（B）供篩選使用的離子液體結(jié)構(gòu)；（C）仿生轉(zhuǎn)化NAD+到ADP-核糖疊氮；（D）篩選結(jié)果分析；（E）催化活性最佳的離子液體；（F-H）適用于該反應(yīng)的核苷酸。
▲圖-2 兩步模塊化合成ADP-核糖化多肽。（A）串聯(lián)仿生糖基化反應(yīng)和點(diǎn)擊化學(xué)的路線；（B）最佳的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)條件；（C）模塊化合成的操作流程；（D）三唑糖苷鍵和酯基糖苷鍵的結(jié)構(gòu)對(duì)比；（E）合成各種ADP-核糖化多肽的反應(yīng)效率；（F-G）本文中用到的多肽結(jié)構(gòu)；（H）用于驗(yàn)證多肽活性的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。
▲圖-4 本文合成的ADP-核糖多肽模擬天然ADP-核糖化的生物功能。（a-e）ADP-核糖化多肽與天然蛋白質(zhì)ADP-核糖識(shí)別結(jié)構(gòu)域mH2A1.1及突變體mH2A1.2的特異性結(jié)合實(shí)驗(yàn)；（f）ADP-核糖化多肽富集HeLa S3細(xì)胞勻漿中的mH2A1.1 和 PARP9；（g）ADP-核糖化多肽作為PARP1的有效底物進(jìn)行poly ADP-核糖化反應(yīng)。
本研究揭示了離子液體能夠促進(jìn)阿爾法選擇性的仿生ADP-核糖化反應(yīng)，并由此發(fā)展了兩步模塊化制備ADP-核糖化多肽地方法，為多維生物功能地蛋白質(zhì)ADP-核糖化翻譯后修飾研究提供了重要的分子工具。
邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、中科院院士 韓布興研究員，浙江大學(xué) 李浩然教授，北京大學(xué) 陳鵬教授對(duì)該工作進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)。離子液體是一類重要的綠色溶劑和功能流體。本研究發(fā)現(xiàn)利用離子液體的協(xié)同效應(yīng)，能夠有效地模擬酶促ADP-核糖化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了以生物來(lái)源的NAD+為原料立體選擇性地制備ADP-核糖化疊氮，進(jìn)而發(fā)展了簡(jiǎn)潔方便的制備具有多維生物活性地復(fù)雜結(jié)構(gòu)多肽的新途徑。此研究展示了離子液體作為新穎材料在促進(jìn)復(fù)雜生物反應(yīng)過(guò)程中的成功應(yīng)用；合理有效地利用離子液體，有望促進(jìn)化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域研究工具的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。篩選方法用于離子液體功能研究的潛在優(yōu)勢(shì)離子液體是一類結(jié)構(gòu)多樣的離子化合物，結(jié)構(gòu)種類可達(dá)到1018。如何利用離子液體結(jié)構(gòu)多樣性開(kāi)發(fā)其潛在的功能是該領(lǐng)域挑戰(zhàn)性科學(xué)問(wèn)題。此研究成功設(shè)計(jì)了一條基于篩選的方法，并通過(guò)該方法發(fā)現(xiàn)了有用的仿生ADP-核糖化反應(yīng)，簡(jiǎn)化了一類復(fù)雜結(jié)構(gòu)生物活性多肽的設(shè)計(jì)合成，發(fā)展了有效的用于蛋白質(zhì)翻譯后修飾的化學(xué)生物工具?；诤Y選方法能夠有效規(guī)避反應(yīng)機(jī)理研究不足及設(shè)計(jì)者的主觀偏見(jiàn)。因此，利用篩選方法和多樣性的離子液體庫(kù)連用的策略有望成為開(kāi)發(fā)離子液體新功能的有效新途徑。利用新思路簡(jiǎn)化蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究工具的設(shè)計(jì)合成合成包含翻譯后修飾結(jié)構(gòu)單元的多肽和蛋白是研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾的重要環(huán)節(jié)。但是直接的細(xì)胞表達(dá)方法通常不能有效引入非基因編碼的修飾結(jié)構(gòu)，而化學(xué)合成方法往往需要復(fù)雜的反應(yīng)條件和專業(yè)的操作技能。此研究針對(duì)既包含多肽結(jié)構(gòu)又包含核苷酸結(jié)構(gòu)這一復(fù)雜的蛋白ADP-核糖化翻譯后修飾，通過(guò)設(shè)計(jì)新穎的離子液體仿生催化反應(yīng)，發(fā)展了兩步模塊化合成生物活性ADP-核糖化多肽的簡(jiǎn)單方法。該方法無(wú)需特殊設(shè)備并可在EP管中進(jìn)行。作者利用他們的方法驗(yàn)證了其合成的多肽在與Macrodomian識(shí)別，在細(xì)胞勻漿中富集結(jié)合蛋白以及進(jìn)行高效poly ADP-核糖化反應(yīng)的有效應(yīng)用。這類合成方便、活性優(yōu)良的化學(xué)生物學(xué)工具有望在蛋白質(zhì)ADP-核糖化分子機(jī)制、蛋白-蛋白相互作用研究等領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。朱安蓮博士，2007年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位，隨后進(jìn)入河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院工作至今。主要從事功能溶液化學(xué)及離子液體在綠色催化反應(yīng)中的應(yīng)用研究。李歆博士獲香港研究資助局博士后基金支持，目前于香港大學(xué)化學(xué)系進(jìn)行博士后研究。主要研究方向?yàn)楸碛^遺傳學(xué)相關(guān)蛋白化學(xué)探針的開(kāi)發(fā)及功能探究。王鍵吉，河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事離子液體結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系和綠色介質(zhì)的研究。李祥教授2011年加入香港大學(xué)化學(xué)系。課題組近年研究致力于開(kāi)發(fā)新型化學(xué)工具和方法，以探究表觀遺傳學(xué)修飾的調(diào)控機(jī)制及生物學(xué)意義。李凌君教授致力于核酸化學(xué)生物學(xué)研究，以人工設(shè)計(jì)合成核苷酸分子為工具，通過(guò)多學(xué)科交叉解決基因密碼拓展、蛋白-蛋白相互作用等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的問(wèn)題。先后在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., PNAS, Cell Chem. Biol等發(fā)表研究論文30余篇。設(shè)計(jì)合成的分子（如TPT3/NaM等）已被多領(lǐng)域科學(xué)家廣泛使用；系列研究成果得到了Nature Research, Science Daily、ACS和新浪醫(yī)藥等媒體積極評(píng)述和采訪報(bào)道。
