学科动态 | 上海药物所发现点击化学操控新策略

2020年7月22日，中科院上海药物研究所黄蔚课题组和杨伟波课题组在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Manipulating the click reactivity of dibenzoazacyclooctynes: from an azide cliker to a caged acylation reagent.”的文章，报道了点击化学试剂二苯并氮杂环辛炔（DBCO）的银催化重排和转酰胺反应，通过其“笼缚”酰化反应性，实现蛋白/糖蛋白修饰和抗体定点偶联。

图1：DBCO的点击化学反应性操控：（1）与叠氮的无铜催化环加成反应；（2）酸催化重排反应；（3）银催化转酰胺反应

叠氮-炔环加成反应的点击化学，被广泛应用于有机化学、药物化学、化学生物学、分子生物学、细胞生物学等多学科领域。铜催化叠氮-炔点击化学反应是一类高效的生物正交反应，但铜催化体系在生物体系中具有较差的生物相容性。环张力炔基如DBCO、BCN等可以在无铜催化的温和条件下实现叠氮-炔基的环加成，极大地促进了点击化学在活生物体系中的应用。

上海药物所黄蔚研究员和杨伟波研究员合作，发现环张力炔基DBCO结构可以在酸性条件下重排丧失其点击化学反应活性。通过研究进一步发现，银试剂AgNTf2或AgOAc可以在中性条件下促进DBCO快速重排生成四环产物，并且当反应体系有胺类化合物时，会发生转酰胺反应，形成新的酰胺产物。在此过程中，银试剂催化转酰胺反应具有“笼缚”酰化试剂属性：无催化剂条件下其酰化活性“束缚”在DBCO“笼状”结构中，而在银催化下从“笼”中释放其酰化能力。在与叠氮基团的竞争反应中，银试剂催化转酰胺反应效率远高于叠氮点击化学反应，酰化产物产率高达95%。

图2：银催化DBCO转酰胺反应的底物适应性

DBCO结构包含Succinyl-DBCO、FITC-DBCO、Cy5-DBCO等；氨基底物包含氨基酸、多肽、糖肽、蛋白、糖蛋白和噬菌体。

研究团队选择了不同的含有氨基的小分子化合物、多肽、糖肽、蛋白、糖蛋白等，对该反应进行了底物反应活性和选择性的探索（图2）。研究发现，银催化条件下，DBCO可以快速的酰化氨基官能团；针对三种包含20种天然氨基酸的多肽底物的研究发现，DBCO酰化反应高选择性地发生在Lys的氨基上，而不影响其他氨基酸。同时，银催化DBCO酰化反应可以高效地修饰糖肽、BSA蛋白、糖蛋白RNase B 和IgG抗体等，表现出较好的底物适用性。此外，银催化酰化反应可以实现Ph.D.12商业噬菌体库的修饰且不影响噬菌体侵染活力，说明该方法具有应用于活生物体系中的潜力。

图3：DBCO标记的Fc靶向肽应用于曲妥珠单抗上K249的定点偶联

该研究团队还设计了一种DBCO标记的抗体Fc靶向肽，实现了抗体上特定Lys的定点酰化修饰（图3）。利用靶向肽与抗体Fc的亲和力，将其DBCO标记基团运输到K249附近，在此过程中，DBCO的酰化活性处于“笼缚”状态而不会与抗体发生随机偶联。而在银催化下，DBCO重排，相应酰基选择性地修饰Fc区域的K249，高效实现了抗体的定点偶联，为定点抗体药物偶联物的设计提供了新的方法与思路。

综上所述，银催化下DBCO重排酰化反应，改变了DBCO的点击化学反应性，从一个叠氮点击反应试剂，转变为高效、温和、可控的“笼缚”酰化试剂，且具有很好的生物兼容性，可以应用于多肽、糖肽、蛋白、糖蛋白、噬菌体等多种生物活性底物。此外，DBCO标记的Fc结合肽可以选择性地酰化抗体上的特定Lys，实现抗体的定点偶联。该方法在化学生物学领域具有广泛的应用前景，可以用于配体导向的靶蛋白定点修饰、配体-受体共价捕获、相互作用蛋白-蛋白交联等。

黄蔚课题组一直从事蛋白糖基化调控与修饰（Nat. Protoco. 2017, 1702; Org. Biomol. Chem. 2016, 9501; J. Am. Chem. Soc. 2012, 12308）、细胞表面糖链编辑(Nat. Chem. Biol. 2020, doi.org/10.1038/s41589-020-0551-8)、糖结构药物(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 6678; J. Med. Chem. 2018, 286)等方向研究；杨伟波课题组聚焦天然产物启发的大环库构建新方法学研究，包括过渡金属催化碳氢活化、卡宾偶联以及重排等。黄蔚课题组博士生施伟和博士后唐峰为文章共同第一作者，黄蔚研究员和杨伟波研究员为共同通讯作者。药物所黄河课题组团队在抗体定点偶联的位点鉴定中给予了技术支持，黄蔚课题组毕业研究生敖继炜和郁群在项目早期酸催化DBCO重排工作中作出了重要贡献，为文章合作作者。该项目获得了国家自然科学基金、国家“重大新药创制”专项等项目资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202009408

参考文献：

1.Shi, W.; Tang, F.; Ao, J.; Yu, Q.; Liu, J.; Tang, Y.; Jiang, B.; Ren, X.; Huang, H.; Yang, W.*; Huang, W.* (2020) “Manipulating the click reactivity of dibenzoazacyclooctynes: from an azide cliker to a caged acylation reagent.” Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202009408

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