導(dǎo)讀

2025年5月5日，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所黃蔚課題組于Journal of the American Chemical Society發(fā)表了題為“Bioinspired Methionine-Selective Desulfurization Editing of Peptides via the Photocatalysis Strategy”的研究論文。該研究受酶催化獨(dú)特的斷鍵模式所啟發(fā)，發(fā)展了一種光催化甲硫氨酸選擇性脫硫策略，可以精準(zhǔn)地對(duì)多肽進(jìn)行編輯，拓展了多肽修飾的化學(xué)空間，同時(shí)促進(jìn)了硫鎓化學(xué)在可見(jiàn)光催化反應(yīng)中的應(yīng)用。

S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作為一類經(jīng)典的輔酶因子，參與SAM依賴型甲基轉(zhuǎn)移酶和SAM自由基酶等催化的各類反應(yīng)，介導(dǎo)生命體中各式各樣的化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程。一般而言，SAM自由基酶通過(guò)引發(fā)SAM分子中S?C(5′) 鍵的均裂，產(chǎn)生高度活潑的5′-脫氧腺苷自由基（5'-dAdo?）和甲硫氨酸（Met），進(jìn)而驅(qū)動(dòng)后續(xù)的化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程。2010年，康奈爾大學(xué)Lin課題組發(fā)現(xiàn)了一類非典型的SAM自由基酶——白喉酰胺生物合成酶Dph2,可以引發(fā)SAM分子中S?C(γ) 鍵的均裂, 形成3-氨基-3羧基丙基自由基（ACP?）, 進(jìn)而修飾蛋白質(zhì)翻譯延伸因子EF2的組氨酸殘基。

上海藥物所黃蔚課題組長(zhǎng)期從事多肽/蛋白藥物相關(guān)研究，致力于發(fā)展新穎、實(shí)用的修飾新方法（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 23752; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202401394; Nat. Commun. 2023, 14, 7169; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204132; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 19940），助力多肽蛋白質(zhì)藥物的開(kāi)發(fā)。前期研究表明，在萬(wàn)古霉素中引入硫鎓片段，能顯著提高對(duì)萬(wàn)古霉素耐藥菌株的抑菌效果，同時(shí)改善其成藥性（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6678）。延續(xù)對(duì)于硫鎓的研究興趣，受上述Dph2酶獨(dú)特的斷鍵模式啟發(fā)，研究人員首次開(kāi)發(fā)了一類獨(dú)特的甲硫氨酸選擇性的脫硫編輯策略（圖1），顯著區(qū)別于目前已報(bào)道的甲硫氨酸修飾策略（如對(duì)甲硫氨酸的硫原子或甲基進(jìn)行修飾）。該策略先選擇性地將甲硫氨酸轉(zhuǎn)化為硫鎓，隨后通過(guò)光催化模式觸發(fā)基于硫鎓的分子內(nèi)自由基取代反應(yīng)，釋放出獨(dú)特的ACP類自由基，進(jìn)而被受體所捕獲得到穩(wěn)定的修飾產(chǎn)物；具有反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)效率高，氨基酸兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1. 甲硫氨酸選擇性脫硫策略過(guò)程

研究人員發(fā)現(xiàn)在光催化劑、NHC-BH3還原劑存在的條件下，通過(guò)藍(lán)光燈照射，多肽硫鎓可以順利形成目標(biāo)自由基，隨后與活化烯烴反應(yīng)形成目標(biāo)產(chǎn)物。同時(shí)對(duì)照實(shí)驗(yàn)顯示，光催化劑、還原劑和光照對(duì)反應(yīng)的發(fā)生均至關(guān)重要，缺一不可。隨后，研究人員成功將不同類型的自由基受體以及功能片段（如糖分子、氟標(biāo)簽、聚乙二醇片段、多肽片段、細(xì)胞毒藥物等）組裝到多肽上，顯示出該策略在快速構(gòu)建多樣性多肽偶聯(lián)物方面的潛力。另一方面，研究人員通過(guò)對(duì)含有不同氨基酸類型和長(zhǎng)度的多肽進(jìn)行考察，揭示了該策略在氨基酸類型方面良好的兼容性，包括通常在自由基反應(yīng)中較為敏感的色氨酸、酪氨酸、組氨酸等。同時(shí)，該脫硫策略對(duì)于含有多個(gè)甲硫氨酸的多肽也可順利實(shí)現(xiàn)選擇性脫硫編輯，表現(xiàn)出在復(fù)雜底物的結(jié)構(gòu)修飾中的潛力（圖2）。

圖2. 功能片段的組裝及復(fù)雜底物的選擇性脫硫編輯

近年，相比于常規(guī)的線性肽而言，環(huán)肽分子以其優(yōu)秀的代謝穩(wěn)定性、更好的親和力和特異性等性質(zhì)，引起了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。在該項(xiàng)工作中，研究人員成功將該策略應(yīng)用到多肽的環(huán)化中，實(shí)現(xiàn)了包含N端-側(cè)鏈相連；側(cè)鏈-側(cè)鏈相連等不同連接類型的環(huán)肽產(chǎn)物以及單環(huán)肽和雙環(huán)肽等多種環(huán)肽產(chǎn)物的構(gòu)建。該脫硫策略通過(guò)碳碳鍵來(lái)構(gòu)建環(huán)肽產(chǎn)物，可以顯著增強(qiáng)環(huán)肽的代謝穩(wěn)定性。

圖3. 碳碳鍵連接的環(huán)肽的構(gòu)建

最后，自由基捕捉實(shí)驗(yàn)顯示反應(yīng)中形成了脫鹵芳基自由基和ACP類自由基中間體；對(duì)照實(shí)驗(yàn)顯示碘代芳基對(duì)于反應(yīng)的發(fā)生至關(guān)重要。同時(shí)，DFT計(jì)算結(jié)果表明在硫鎓分子內(nèi)自由基取代反應(yīng)過(guò)程中，形成ACP類自由基在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)均具有優(yōu)勢(shì)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中呈現(xiàn)的斷鍵選擇性是一致的。

圖4. 甲硫氨酸選擇性脫硫策略的機(jī)制研究

上海藥物所與沈陽(yáng)藥科大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生張玥為論文第一作者，上海藥物所劉博博士（現(xiàn)為芝加哥大學(xué)博士后）、黃蔚研究員、唐峰研究員為論文通訊作者。本研究得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的基金支持。

全文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c02226

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所