ADP-核糖基化（ADP-Ribosylation）是一種機(jī)體內(nèi)廣泛存在的翻譯后修飾過程。ADP-核糖基化的化學(xué)本質(zhì)是將煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）中的ADP-核糖基部分與特定蛋白質(zhì)的氨基酸殘基發(fā)生共價(jià)連接的反應(yīng)；這一過程在各種生理和病理過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，諸如病原體入侵宿主的過程、DNA損傷反應(yīng)、癌癥發(fā)生以及神經(jīng)系統(tǒng)的病變等。然而，由于生物體內(nèi)天然存在的ADP-核糖基化的動(dòng)態(tài)可逆性，直接從生物樣本中獲得具有明確化學(xué)結(jié)構(gòu)的ADP-核糖基化多肽和ADP-核糖基化蛋白質(zhì)非常困難。為此，研究者付出大量的努力發(fā)展化學(xué)合成ADP-核糖基化多肽及蛋白的方法。但是，由于ADP-核糖基化的多肽同時(shí)包含了復(fù)雜的核苷結(jié)構(gòu)單元和多肽結(jié)構(gòu)單元，而且標(biāo)準(zhǔn)的多肽固相合成方法不能與核苷酸合成方法很好的兼容，因此目前合成ADP-核糖基化多肽及蛋白通常需要從構(gòu)建α-糖苷鍵的氨基酸殘基入手，通過復(fù)雜的保護(hù)基策略和苛刻的焦磷酸化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)步驟繁瑣，總收率低。迄今為止，尚未有能利用天然多肽和NAD+為原料的化學(xué)方法開發(fā)出來。
近日，河南師范大學(xué)的李凌君教授團(tuán)隊(duì)以商品化的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）為原料，設(shè)計(jì)了化學(xué)O-ADP-核糖基化反應(yīng)。作者將包含各種功能基團(tuán)的伯醇和仲醇類化合物立體選擇性地連直接連接到ADP-核糖基團(tuán)上；隨后利用醇類化合物上的炔、烯等官能團(tuán)，設(shè)計(jì)了click和光促Thiol-ene反應(yīng)等生物綴合方法，將ADP-核糖基鏈接至多肽或蛋白質(zhì)特定的氨基酸殘基，簡(jiǎn)單方便地對(duì)多肽/蛋白質(zhì)進(jìn)行位點(diǎn)可控的ADP-核糖化。在該方法中，他們首次實(shí)現(xiàn)了直接以NAD+為原料，以高達(dá)94%的收率、88:12至99:1的α:β異構(gòu)體比例、以及可逆轉(zhuǎn)的構(gòu)型立體選擇性獲得目標(biāo)產(chǎn)物。 利用其發(fā)展的高效化學(xué)O-ADP-核糖基化反應(yīng)，作者簡(jiǎn)化了現(xiàn)有合成生物活性ADP-核糖基化多肽和蛋白的方法。之前，F(xiàn)ilippov教授課題組建立從頭合成ADPr-炔丙基的方法。他們利用Vorbrüggen型核糖基化反應(yīng)構(gòu)建α-糖苷鍵，接著進(jìn)行磷酸化、焦磷酸化，以多步反應(yīng)的路線19%總收率和71:29的α:β異構(gòu)體比例得到目標(biāo)化合物。相比之下，作者的方法使用市售的NAD+一步生產(chǎn)ADPr-炔丙基，產(chǎn)率89%，α:β異構(gòu)體比達(dá)到97:3；而且該反應(yīng)無需苛刻的條件，可在普通的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。利用該O-ADP-核糖基化反應(yīng)，合成ADP-核糖基化蛋白質(zhì)的方法也可被大大簡(jiǎn)化。作者利用炔丙醇的O-ADP-核糖基化產(chǎn)物，在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)條件下與42-疊氮修飾的泛素進(jìn)行反應(yīng)，順利得到ADP-核糖基化泛素蛋白；并通過質(zhì)譜、ADP核糖抗體和泛素抗體驗(yàn)證了產(chǎn)物的正確結(jié)構(gòu)。 在此基礎(chǔ)上，作者還將該方法用于在未化學(xué)修飾的天然多肽和蛋白質(zhì)上進(jìn)行ADP-核糖基化。通過NAD+與包含末端烯基的醇類化合物的反應(yīng)，作者以79%–91%的收率獲得了ADP-核糖基化烯丙醇型產(chǎn)物。進(jìn)而，他們又發(fā)展了以ADP-核糖基化烯丙醇為原料與半胱氨酸的光促Thiol-ene反應(yīng)，以定量收率獲得目標(biāo)產(chǎn)物。隨后通過化學(xué)O-ADP-核糖基化反應(yīng)和光促Thiol-ene反應(yīng)的聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種包含半光氨酸殘基多肽的直接ADP-核糖基化；并通過Cysteine突變及上述兩個(gè)反應(yīng)的應(yīng)用，在大腸桿菌表達(dá)的泛素蛋白質(zhì)上首次實(shí)現(xiàn)了天然蛋白質(zhì)的定點(diǎn)ADP-核糖基化。 此外，在該研究中作者還利用O-ADP-核糖基化反應(yīng)研究了ADP-核糖基化多肽與Macrodomain蛋白結(jié)合的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了T-型和S-型兩類與Macrodomain mH2A1.1具有高親合力的α-ADP-核糖基化多肽和β-ADP-核糖基化多肽。 論文信息 Chemical O-ADP-Ribosylations: Synthesis and Bioconjugation of ADPr-Peptides/Proteins from NAD+ Yanbo You, Anlian Zhu, Dongshuang Fan, Honglei Wang, Lingjun Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202418321
