徐華棟/陳弓JACS：基于三唑環(huán)“分子捕鼠夾”設(shè)計(jì)的胺選擇性生物偶聯(lián)

導(dǎo)讀

生物分子的選擇性修飾對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)發(fā)展至關(guān)重要。盡管在靶向高反應(yīng)性但低豐度的巰基方面已取得顯著進(jìn)展，但針對(duì)其他天然官能團(tuán)，尤其是廣泛存在的氨基，開(kāi)發(fā)高效、特異的修飾策略仍是一項(xiàng)迫切需求。因此，發(fā)展一種在反應(yīng)效率與精準(zhǔn)度上可媲美硫醇化學(xué)，并能與之嚴(yán)格正交的氨基標(biāo)記新方法，將極大拓展生物分子的標(biāo)記范圍。近日，常州大學(xué)徐華棟教授與南開(kāi)大學(xué)陳弓教授團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)了一類(lèi)新型吡啶并三唑甲醛（PTAC）試劑。該試劑可在溫和、生物相容的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)小分子及復(fù)雜生物分子中伯烷基胺的高效、選擇性且近乎無(wú)副反應(yīng)的標(biāo)記。PTAC的獨(dú)特之處在于其“捕鼠夾”式（“snap-trapping”）的快速選擇性捕獲機(jī)制：其“誘餌”醛基首先與胺反應(yīng)生成亞胺中間體，隨后觸發(fā)由互變異構(gòu)介導(dǎo)的三唑環(huán)擺動(dòng)，從而不可逆地捕獲胺底物，并僅釋放水作為唯一副產(chǎn)物。吡啶環(huán)與三唑結(jié)構(gòu)的融合弱化了N-N鍵的穩(wěn)定性，使其更易被胺選擇性激活，同時(shí)確保了優(yōu)異的穩(wěn)定性及硫醇正交性。該策略兼具高反應(yīng)活性、優(yōu)異化學(xué)選擇性及良好官能團(tuán)耐受性，在胺特異性生物偶聯(lián)中達(dá)到了硫醇級(jí)別的性能水平，為現(xiàn)有硫醇修飾方法提供了重要的替代和補(bǔ)充方案。

1,2,3-三唑作為疊氮-炔烴點(diǎn)擊化學(xué)的核心骨架，已在分子偶聯(lián)中被廣泛確立為一種穩(wěn)定且通用的連接子。然而，在此廣泛應(yīng)用背后，其自身所固有的開(kāi)環(huán)-關(guān)環(huán)互變異構(gòu)反應(yīng)性卻長(zhǎng)期未被充分探索。盡管該過(guò)程傳統(tǒng)上受限于苛刻的反應(yīng)條件和有限的合成應(yīng)用價(jià)值，但近年研究表明，通過(guò)對(duì)三唑衍生物進(jìn)行合理修飾，能夠在溫和條件下有效利用這一反應(yīng)性。其中，將三唑與吡啶環(huán)融合已被證實(shí)能顯著增強(qiáng)其環(huán)-鏈互變異構(gòu)傾向。受此啟發(fā)，作者推測(cè)吡啶并三唑甲醛（PTAC）或許能通過(guò)一種“中斷的L'abbé重排”機(jī)制，在溫和條件下實(shí)現(xiàn)與伯胺的高選擇性反應(yīng)。

如圖2所示，作者發(fā)現(xiàn)吡啶并三唑甲醛能夠與各種烷基伯胺和芳胺反應(yīng)，生成相應(yīng)的吡啶基三唑，反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高、體系干凈，且能兼容各種官能團(tuán)。同時(shí)，該反應(yīng)對(duì)各種溶劑和添加劑具有顯著的耐受性。比如在56度的白酒中，模板底物芐胺（4）與PTAC 1反應(yīng)6 h，也可以高收率和非常干凈的反應(yīng)體系得到目標(biāo)產(chǎn)物（4-1）。此外，該策略還能方便地改造含有伯胺的藥物分子，在藥物化學(xué)領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。

作者隨后考察了該反應(yīng)的多肽底物適用性。首先選取含賴(lài)氨酸（Lys）的模板三肽（26），與1.5 equiv的PTAC 1、2.0 equiv的DIPEA在DMSO中反應(yīng)，2 h內(nèi)即可定量轉(zhuǎn)化獲得目標(biāo)產(chǎn)物（26-1）。反應(yīng)后過(guò)量的PTAC 1可通過(guò)鍵合甘氨酸的酰胺樹(shù)脂在室溫下處理2 h并過(guò)濾，即可實(shí)現(xiàn)高效清除并獲得高純度的反應(yīng)產(chǎn)物（LC trace 2）。如圖3所示，該方法對(duì)不同氨基酸組成及鏈長(zhǎng)的復(fù)雜多肽均表現(xiàn)出優(yōu)異的適用性。值得注意的是，包括半胱氨酸（Cys）在內(nèi)的所有蛋白源氨基酸均可兼容，并可與多種取代的PTAC衍生物實(shí)現(xiàn)高效、高選擇性偶聯(lián)。如環(huán)肽藥物阿托西班（34）與PTAC 17反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)定量轉(zhuǎn)化。二十三肽 Neuromedin U (rat)（38）與炔基化PTAC 39亦可定量轉(zhuǎn)化為炔基標(biāo)記產(chǎn)物（38-39）。此外，該策略還可通過(guò)一鍋兩步法，高效、便捷地對(duì)復(fù)雜肽上的Lys和Cys殘基進(jìn)行雙位點(diǎn)標(biāo)記。如GP(33–41)（45）與PTAC 17反應(yīng)2 h后，隨后加入馬來(lái)酰亞胺-PEG2-生物素（46），即可以90%的LC收率得到雙標(biāo)記產(chǎn)物（47）。

如圖4所示，在優(yōu)化條件下，該策略可廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)、抗體及DNA等生物大分子的伯胺修飾。例如，含10個(gè)Lys殘基的核糖核酸酶A（49）與生物素化PTAC 37反應(yīng)后，成功實(shí)現(xiàn)了1至7個(gè)賴(lài)氨酸位點(diǎn)的標(biāo)記（49-37n）。同樣，該方法也適用于曲妥珠單抗（52）的炔基化標(biāo)記（52-39n）。對(duì)于常用于DNA編碼化合物庫(kù)合成的DNA headpiece（53），也可與帶有熒光基團(tuán)的PTAC 51反應(yīng)，以90%的轉(zhuǎn)化率得到偶聯(lián)產(chǎn)物（53-51）。

這一成果最近發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上，常州大學(xué)徐華棟教授和南開(kāi)大學(xué)陳弓教授為通訊作者，初鑫博士和博士生鐘惠敏、碩士生金鵬和魏成成為該工作的順利進(jìn)行做出了重要貢獻(xiàn)。https://doi.org/10.1021/jacs.5c15886

徐華棟教授簡(jiǎn)介：

徐華棟，常州大學(xué)藥學(xué)院教授。2007年于伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校（UIC）取得博士學(xué)位，2007年至2009年在美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校藥學(xué)院博士后工作，2010-2012年華東師范大學(xué)副研究員，2012年5月起就職于常州大學(xué)。

陳弓教授簡(jiǎn)介：

陳弓，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授。國(guó)家杰出青年基金獲得者，科技部領(lǐng)軍人才，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士（FRSC），

Organic Letters

We turned a triazole ring into a snap-trapping device to capture amino groups for bioconjugation. It is super reactive and selective. Thiols are spared. Fruitful collaboration with Huadong Xu at Changzhou University.

We turned a triazole ring into a molecular mousetrap—snapping up amino groups for bioconjugation!
Super reactive, highly selective, and thiol-tolerant.
Great teamwork with Huadong Xu (Changzhou University)!