▲第一作者：朱安蓮，李歆，白莉莉；通訊作者：李凌君，李祥
論文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19409-1 今日，來自河南師范大學的李凌君團隊與朱安蓮博士/王鍵吉教授團隊以及香港大學李祥團隊、北京大學張禮和院士團隊合作，在國際知名期刊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。 利用該反應，作者發(fā)展了目前最簡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、結構多樣的ADP-核糖多肽。ADP-核糖化是一種高度復雜的動態(tài)蛋白質(zhì)翻譯后修飾，它通過在靶蛋白質(zhì)特定氨基酸殘基引入ADP-核糖單元，對諸如DNA損傷修復等重要的生理和病理過程進行調(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，但是其結構復雜、合成困難。如何方便的制備ADP-核糖化多肽是該領域研究面臨的重要挑戰(zhàn)之一。
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體系，促進內(nèi)源性分子NAD+與疊氮鈉反應生成ADP-核糖疊氮。通過對于離子液體進行篩選，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ADP-核糖疊氮的合成。該離子液體/水反應體系可在空氣中操作，無需惰性氣體保護，并適用于多種NAD+衍生物。通過串聯(lián)仿生的ADP-核糖化反應和點擊化學，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，在試管中進行反應，無線任何復雜反應裝置，可在一天內(nèi)合成結構多樣的ADP-核糖化多肽。（三） ADP-核糖化多肽與Macrodomain結構域的特異性結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-核糖化識別結構域Macrodomian高特異性的、競爭性的結合（EC50 = 2.1 μM；IC50 = 4.0 μM）。該結果表明此類新型的ADP-核糖化多肽可作為實用的分子工具研究蛋白ADP-核糖化的精準結構與生物功能。α型ADP-核糖化多肽能夠在HeLa S3細胞勻漿中有效地垂釣mH2A1.1和 PARP9蛋白。該結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-核糖結合蛋白。本研究發(fā)現(xiàn)我們設計合成的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poly ADP-核糖化過程的分子機制及制備其特異性抗體。▲圖-1 離子液體促進的仿生ADP-核糖化反應。（A）酶促ADP-核糖化反應中的協(xié)同作用；（B）供篩選使用的離子液體結構；（C）仿生轉(zhuǎn)化NAD+到ADP-核糖疊氮；（D）篩選結果分析；（E）催化活性最佳的離子液體；（F-H）適用于該反應的核苷酸。
▲圖-2 兩步模塊化合成ADP-核糖化多肽。（A）串聯(lián)仿生糖基化反應和點擊化學的路線；（B）最佳的點擊化學反應條件；（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構對比；（E）合成各種ADP-核糖化多肽的反應效率；（F-G）本文中用到的多肽結構；（H）用于驗證多肽活性的生物學實驗。
▲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-核糖識別結構域mH2A1.1及突變體mH2A1.2的特異性結合實驗；（f）ADP-核糖化多肽富集HeLa S3細胞勻漿中的mH2A1.1 和 PARP9；（g）ADP-核糖化多肽作為PARP1的有效底物進行poly ADP-核糖化反應。
本研究揭示了離子液體能夠促進阿爾法選擇性的仿生ADP-核糖化反應，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。
邀請中國科學院化學研究所、中科院院士 韓布興研究員，浙江大學 李浩然教授，北京大學 陳鵬教授對該工作進行了點評。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，能夠有效地模擬酶促ADP-核糖化反應，實現(xiàn)了以生物來源的NAD+為原料立體選擇性地制備ADP-核糖化疊氮，進而發(fā)展了簡潔方便的制備具有多維生物活性地復雜結構多肽的新途徑。此研究展示了離子液體作為新穎材料在促進復雜生物反應過程中的成功應用；合理有效地利用離子液體，有望促進化學生物學領域研究工具的設計和開發(fā)。離子液體是一類結構多樣的離子化合物，結構種類可達到1018。如何利用離子液體結構多樣性開發(fā)其潛在的功能是該領域挑戰(zhàn)性科學問題。此研究成功設計了一條基于篩選的方法，并通過該方法發(fā)現(xiàn)了有用的仿生ADP-核糖化反應，簡化了一類復雜結構生物活性多肽的設計合成，發(fā)展了有效的用于蛋白質(zhì)翻譯后修飾的化學生物工具?；诤Y選方法能夠有效規(guī)避反應機理研究不足及設計者的主觀偏見。因此，利用篩選方法和多樣性的離子液體庫連用的策略有望成為開發(fā)離子液體新功能的有效新途徑。利用新思路簡化蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究工具的設計合成合成包含翻譯后修飾結構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)。但是直接的細胞表達方法通常不能有效引入非基因編碼的修飾結構，而化學合成方法往往需要復雜的反應條件和專業(yè)的操作技能。此研究針對既包含多肽結構又包含核苷酸結構這一復雜的蛋白ADP-核糖化翻譯后修飾，通過設計新穎的離子液體仿生催化反應，發(fā)展了兩步模塊化合成生物活性ADP-核糖化多肽的簡單方法。該方法無需特殊設備并可在EP管中進行。作者利用他們的方法驗證了其合成的多肽在與Macrodomian識別，在細胞勻漿中富集結合蛋白以及進行高效poly ADP-核糖化反應的有效應用。這類合成方便、活性優(yōu)良的化學生物學工具有望在蛋白質(zhì)ADP-核糖化分子機制、蛋白-蛋白相互作用研究等領域得到進一步應用。朱安蓮博士，2007年畢業(yè)于中國科學院化學研究所獲得博士學位，隨后進入河南師范大學化學化工學院工作至今。主要從事功能溶液化學及離子液體在綠色催化反應中的應用研究。李歆博士獲香港研究資助局博士后基金支持，目前于香港大學化學系進行博士后研究。主要研究方向為表觀遺傳學相關蛋白化學探針的開發(fā)及功能探究。王鍵吉，河南師范大學化學化工學院教授，博士生導師，主要從事離子液體結構-性質(zhì)關系和綠色介質(zhì)的研究。李祥教授2011年加入香港大學化學系。課題組近年研究致力于開發(fā)新型化學工具和方法，以探究表觀遺傳學修飾的調(diào)控機制及生物學意義。李凌君教授致力于核酸化學生物學研究，以人工設計合成核苷酸分子為工具，通過多學科交叉解決基因密碼拓展、蛋白-蛋白相互作用等生物醫(yī)學領域的問題。先后在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., PNAS, Cell Chem. Biol等發(fā)表研究論文30余篇。設計合成的分子（如TPT3/NaM等）已被多領域科學家廣泛使用；系列研究成果得到了Nature Research, Science Daily、ACS和新浪醫(yī)藥等媒體積極評述和采訪報道。
