北京大学Chem. Sci.：用于生物偶联的硫醇-氧化硫叶立德光点击反应

一、【导读】

蛋白质化学修饰工具的开发促进了化学生物学和药学研究的进步。其中，蛋白质半胱氨酸（Cys）残基的选择性修饰发挥着极为重要的作用。近年来，研究者对可见光介导的半胱氨酸选择性生物偶联进行了大量研究。但是，传统的蛋白质Cys残基修饰反应由于其他亲核性残基的存在，选择性通常不高。而近年来开发的可见光促进的Cys残基修饰反应又存在反应条件苛刻、生物相容性低和反应速率较慢等问题。

二、【成果掠影】

为了解决以上难题，北京大学深圳研究生院李子刚教授、深圳湾实验室坪山生物医药研发转化中心尹丰研究员、王蕊研究员联合报道了一种无金属的硫醇-氧化硫叶立德光点击反应，该反应能够在生物相容条件下实现高效和高选择性的生物偶联反应。通过机理研究，作者提出了一个光催化活化氧化硫叶立德得到高活性氧化锍盐中间体的机理。氧化硫叶立德化合物本身的水溶性极好，而且该反应使用的光催化剂（核黄素衍生物）是一类常见的生物活性物质，因此提示了该反应潜在的优秀生物相容性。最后，通过生物素衍生的氧化硫底物，对细胞裂解液进行了蛋白组学研究，发现了其对蛋白质组中Cys残基的选择性超过90%，再次表明了该反应良好的化学选择性和潜在的生物学应用价值。该论文以题为“The thiol-sulfoxonium ylide photo-click reaction for bioconjugation”发表在知名期刊Chem. Sci上，北京大学深圳研究生院万川博士、研究生侯占峰和仲恺农业工程学院杨冬燕博士为该论文的共同第一作者。

三、【核心创新点】

通过一系列条件筛选，优化得到了一个高效和高选择性的巯基-氧化硫叶立德光点击反应，并提出了一个光催化活化氧化硫叶立德得到高活性氧化锍盐中间体的机理，进一步通过对含Cys残基的多肽和蛋白质的化学修饰，验证了该反应的极快的反应效率和化学选择性。

四、【数据概览】

图一、半胱氨酸选择性生物偶联反应 © 2022 The Author

（a）文献报道半胱氨酸选择性生物偶联的方法。

（b）本文报道的可见光诱导的巯基-氧化硫叶立德点击反应。

图二、氧化硫叶立德与巯基反应的范围 © 2022 The Author

化合物1（1 mmol，2当量），硫醇2-6（0.5 mmol，1当量），RFTA（2% mol）混合后在室温下8 mL水中用可见光（450 nm）下照射20分钟反应的产率。

图三、机理研究 © 2022 The Author

（a）RFTA和1a的紫外-可见光吸收光谱。

（b）光催化剂RFTA和氧化硫叶立德1a之间的Stern-Volmer荧光猝灭实验。

（c）对照实验：1a的光分解。

（d）氘代溶剂中的氢源。

（e）推测的反应机理。

图四、Cys选择性肽修饰的范围 © 2022 The Author

在PBS缓冲液（pH 7.4，加入25%MeCN以溶解肽）中，室温可见光照射下，将氧化硫叶立德1（10 mM）、肽7-14（1 mM）、RFTA（0.5 mM）和硫脲（10 mM）作为溶剂，持续反应1分钟，通过LC-MS测定产率。

图五、蛋白质的半胱氨酸特异性修饰 © 2022 The Author

（a）反应条件示意图。

（b）BSA-1a加合物的ESI-TOF MS分析。

（c）BSA-1m加合物的ESI-TOF MS分析。

（d）泛素结合酶2C-1a加合物的ESI-TOF MS分析。

（e）Cys34上BSA-1a的MS/MS分析。

（f）BSA加合物的圆二色性（CD）分析。

图六、硫醇-氧化硫叶立德光点击反应的蛋白质组学应用 © 2022 The Author

（a）基于凝胶和MS的蛋白质组学的工作流程示意图。

（b）BSA-1m的WB分析。

（c）1m与细胞（HeLa和MCF-7细胞裂解物）反应的WB分析。

（d）不同浓度（2-10 mM）下1m和HeLa细胞裂解物之间反应的WB分析以及半胱氨酸反应性IAM的竞争性分析。

（e）蛋白质组中氨基酸选择性的表征。

（f）通过1m的共有基序识别。

（g）蛋白质组学研究中鉴定的1m标记RPL37肽的注释MS2。

五、【成果启示】

综上所述，研究人员报道了一种核黄素衍生物催化的硫醇-氧化硫叶立德光点击反应，该反应能够实现Cys特异性生物偶联，同时具有较好的生物相容性，无需金属催化就能实现快速反应动力学。这种不含金属且高效的可见光促进的氧化硫叶立德活化反应用于蛋白质Cys残基选择化学修饰方法，为基于蛋白质化学修饰方法学的化学生物学和化学蛋白质组学研究增添了一类具有应用潜力的新工具。

文献链接：The thiol-sulfoxonium ylide photo-click reaction for bioconjugation (Chem. Sci. 2022, DOI: 10.1039/D2SC05650J)

本文由大兵哥供稿