帶來(lái)一篇nature chemistry上的一篇文章，Site-selective tyrosine bioconjugation via photoredox catalysis for native-to-bioorthogonal protein transformation，文章的通訊作者是來(lái)自美國(guó)普林斯頓大學(xué)的David W. C. MacMillan，他實(shí)驗(yàn)室的研究集中在有機(jī)合成和催化領(lǐng)域。
通過(guò)化學(xué)方法對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾后，可以應(yīng)用于細(xì)胞追蹤、成像、生物材料和藥物治療等領(lǐng)域，所以通過(guò)化學(xué)技術(shù)或偶聯(lián)策略進(jìn)行高效率的、高度選擇性地修飾結(jié)構(gòu)復(fù)雜的蛋白質(zhì)成為了熱點(diǎn)，例如利用生物正交合成（BOS）在特定氨基酸位點(diǎn)引入功能性官能團(tuán)等。近些年的研究已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的親核-親電試劑方法，轉(zhuǎn)而采用高度特異的點(diǎn)擊配對(duì)偶聯(lián)反應(yīng)，這種偶聯(lián)反應(yīng)可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的賴氨酸和半胱氨酸以外的其他氨基酸，例如末端氨基酸、酪氨酸、色氨酸和甲硫氨酸等。光催化被證明是一個(gè)獨(dú)特的策略，用于開(kāi)發(fā)位點(diǎn)選擇性、官能團(tuán)特異性的偶聯(lián)方法。所以本文作者想將光催化策略應(yīng)用于位置選擇性的蛋白質(zhì)的小分子偶聯(lián)，如果這種方法成功的話，通過(guò)一步化學(xué)反應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)野生型蛋白質(zhì)小分子偶聯(lián)，而無(wú)需基因工程和非天然氨基酸的引入，將極大簡(jiǎn)化化學(xué)修飾蛋白質(zhì)的制備，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
作者設(shè)計(jì)的一步“天然生物正交”蛋白質(zhì)修飾策略細(xì)節(jié)如圖所示，作者選擇了酪氨酸作為光催化選擇性生物結(jié)合的位點(diǎn)，因?yàn)槔野彼幔═yr）已知可以在多種條件下發(fā)生氧化偶聯(lián)；并且作為一種兩親性的氨基酸，酪氨酸廣泛存在于親水和疏水微環(huán)境中，所以適合于廣泛的化學(xué)偶聯(lián)。作者在之前研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了以苯惡嗪衍生分子作為多功能的偶聯(lián)試劑與酪氨酸側(cè)鏈反應(yīng)，既可以進(jìn)行內(nèi)源性蛋白質(zhì)標(biāo)記，也可以在此后應(yīng)用于生物正交合成。他們確定了兩個(gè)分子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)：一，不僅具有酪氨酸殘基反應(yīng)特異性，而且在天然蛋白質(zhì)的不同酪氨酸殘基之間具有差異反應(yīng)性，二是在隨后的衍生化中引入多功能的生物正交基團(tuán)。
考慮到這些標(biāo)準(zhǔn)，作者設(shè)計(jì)了10氫-吩惡嗪-3,7-二甲醛。它含有的芳香醛結(jié)構(gòu)，在生物相容性條件下，可以與多種分子發(fā)生低效縮合，可以用于引入多功能的生物正交基團(tuán)。并且，該結(jié)構(gòu)會(huì)延伸苯惡嗪π-共軛作用，可以使任何修飾的蛋白質(zhì)加合物產(chǎn)生熒光。通過(guò)這種苯惡嗪雙醛設(shè)計(jì)，作者實(shí)現(xiàn)了活性蛋白酪氨酸選擇行化學(xué)官能團(tuán)偶聯(lián)方法的開(kāi)發(fā)。作者首先對(duì)該反應(yīng)的條件、溶劑等進(jìn)行了篩選，得到了95%的高轉(zhuǎn)化率反應(yīng)條件；然后以十余種含有酪氨酸的天然蛋白為模型，實(shí)現(xiàn)了多種蛋白質(zhì)酪氨酸位點(diǎn)選擇性生物結(jié)合；作者還通過(guò)時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收光譜對(duì)不同酪氨酸位點(diǎn)的反應(yīng)選擇性進(jìn)行測(cè)定分析；作者還分別引入了生物正交的基團(tuán)，例如biotin，炔基，疊氮和熒光集團(tuán)等，從而實(shí)現(xiàn)功能研究。作者為了證明光催化氧化劑的溫和性和此策略的生物相容性，對(duì)所有酪氨酸修飾前后的蛋白質(zhì)進(jìn)行圓二色譜測(cè)定，他們的反應(yīng)后的二級(jí)結(jié)構(gòu)都無(wú)變化；并且反應(yīng)偶聯(lián)產(chǎn)物苯酚-吩惡嗪雙醛結(jié)合物顯示熒光，除了用于測(cè)量反應(yīng)效率外，還可以用于在復(fù)雜的細(xì)胞環(huán)境中跟蹤這些加和反應(yīng)過(guò)程，可以應(yīng)用于更廣泛的研究中。
總之，作者發(fā)展的光催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)源性標(biāo)記技術(shù)和生物正交標(biāo)記技術(shù)的結(jié)合?？梢栽谒芤褐?strong>溫和條件下將苯惡嗪二醛選擇性地偶聯(lián)到多種天然蛋白質(zhì)的特定酪氨酸殘基上。該方法極高的化學(xué)選擇特性，從一個(gè)復(fù)雜蛋白質(zhì)上的26個(gè)酪氨酸殘基中選擇標(biāo)記一個(gè)酪氨酸的能力，說(shuō)明了微環(huán)境對(duì)側(cè)鏈固有的局部電子和親酸性的顯著影響。這種策略具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
本文作者：ZYL
責(zé)任編輯：Guo ZH
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-021-00733-y
原文引用：DOI：10.1038/s41557-021-00733-y
