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南开大学陈弓/药物所陆晓杰团队:DNA编码的环肽分子库构建

来源:X-MOL资讯   发布时间:2021/04/06    浏览次数:

近年来,利用DNA编码化合物库(DELs)技术进行苗头化合物的筛选是新药发现最前沿的技术之一,得到了学术界和工业界高度的关注。然而构建结构多样、高质量的化合物库,并且还要确保与DNA相兼容的反应条件,是该方法所面临的主要挑战。近日,南开大学陈弓教授课题组与上海药物所陆晓杰研究员课题组合作,通过Pd催化分子内巯基的芳基化反应在温和条件下实现了具有苯环支撑架结构的刚性环肽分子库的构建。运用该方法成功的制备了包含八百万个环肽分子的DNA编码化合物库,以P300为靶标蛋白进行亲和力的初步筛选,得到了微摩尔抑制活性的苗头化合物。



具有生物活性的天然产物如sanjoinine、ustiloxin、vancomycins和phalloidin等结构中,经常会出现芳基醚或者芳基硫醚骨架,通常认为这类关键连接结构与其生物活性具有密切关系。近年来Buchwald课题组和Messaoudi课题组报道了在生物兼容条件下,选择性的实现巯基芳基化。受他们工作的启发,作者设想能否在DNA兼容的条件下实现巯基芳基化构建肽类大环化合物库。


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图1. 天然产物分子及巯基芳基化策略

作者首先在溶液中进行了反应的探索:使用含有未保护半胱氨酸和4-碘苯丙氨酸的五肽分子进行反应条件筛选,最终发现使用5 mol%的Xantphos-Pd-G3催化剂,1.5当量的DIPEA,在乙腈/水 (4/1) 溶液中,12.5 mM浓度下室温3小时就能以72%的收率得到半胱氨酸芳基化产物,未出现脱碘及巯基氧化成二硫键的产物。使用三乙胺做碱会使得产率稍有降低,无机碱如 K 2 CO 3等不利于反应的发生。水作为共溶剂的使用对反应至关重要。



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图2. 部分底物兼容性考察

在最佳反应条件下,作者对反应的兼容性进行了探索(图2),作者发现:(1)所有的蛋白源氨基酸都能够兼容;各种氨基酸极性侧链都不干预反应;N端可以是特戊酸、肉桂酸、异烟酸等酰基封端。(2)反应成环的大小在17-20元环之间都能够以较高的收率获得;14元环的三肽 34能够以中等产率获得;其中化合物 4是模拟天然产物sanjoinine的核心骨架。35元环的化合物 13能够以41%的收率获得。(3)除了(4-I)Phe ( 2)外,在各种位置的芳基碘也都能进行反应,如侧链假肢结构( 8)或端基( 9)。肽链上含甲状腺素时,主产物为化合物 7。(4)半胱氨酸残基可以处于多肽链的C端和N端。除了半胱氨酸外,各种巯基结构单元如3-巯基丙酸,卡托普利( 9)青霉胺( 4,10)也能顺利成环。相对于烷基硫醇,芳基硫醇的反应性会略有降低,能够以中等以上的产率获得二芳基硫醚分子( 11,12)。


受万古霉素结构中的双芳基醚结构骨架的启发,作者还尝试了双环结构的构建(图3),双环合成的难度在于一旦一端成环,会将另一端的反应位点距离拉远,不利于成双环。作者通过SPPS过程合成了一条两端为未保护半胱氨酸,中间为乙酰基保护的3,5-二碘酪氨酸。成环反应时,将催化剂的量提升至10 mol%,使用3当量的碱,得益于该反应的强劲,最终能够以56%的收率得到双环产物。




图3. 双环化合物的构建

随后,作者将该反应应用到DELs库的合成。首先在DNA起始片段Headpiece上进行了反应条件的探索,最终确定了在乙腈/水(8/5)的混合溶剂,带有小分子反应片段的核酸的浓度为0.38 mM的体系中,加入1当量的Pd催化剂和100当量的DIPEA,室温下反应1小时,可以以约70%的转化率得到目标分子。接下来作者将此DNA兼容的化学反应运用到DNA编码化合物筛选平台中,首先设计并合成了由三轮循环组成,含有八百万个不同的DNA编码分子的化合物库(图4A)。随后该库对P300蛋白进行了亲和力筛选,结果通过3D散点图(图4B)可以清晰的展现出具有潜在活性的结构。经过严格的挑选及小分子合成验证,最终得到了具有微摩尔抑制活性的化合物 32-C33-C(图4C-D),以一套完整的开发-合成-筛选-验证体系证明了该反应的可靠性和实用性。



图4. DNA上化合物库的合成及亲和力筛选实验

综上,陈弓教授课题组和陆晓杰教授课题组使用Xantphos-Pd-G3催化剂在温和条件下通过巯基芳基化构建环肽分子,显示出良好的反应性。并将其应该于DNA编码化合物库的合成中,最终在八百万个化合物库中筛选出了对P300蛋白有微摩尔抑制活性的环肽分子。该方法构建的超大型化合物库在其他重要生物靶标的筛选上也有着重要意义。


相关工作近期发表在 Chem. Sci.上,通讯作者为南开大学 陈弓教授和上海药物所 陆晓杰研究员。南开大学博士研究生 杨朋李博以及上海药物所博士 王璇为该论文的共同一作。



原文

Streamlined construction of peptide macrocycles via palladium-catalyzed intramolecular S-arylation in solution and on DNA

Peng Yang, Xuan Wang, Bo Li, Yixuan Yang, Jinfeng Yue, Yanrui Suo, Huarong Tong, Gang He, Xiaojie Lu, Gong Chen

Chem. Sci ., 2021, DOI: 10.1039/D1SC00789K