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陈弓团队:基于双胺交联的可扩展式多肽成环

来源:X-MOL, 化学科讯   发布时间:2022/02/07    浏览次数:

近日, 南开大学陈弓教授团队在多肽环化修饰研究上取得了新进展,报道了 在温和条件下以端基与侧链(end-to-side)和侧链与侧链(side-to-side)两种方式,实现了天然多肽上两个氨基组分与邻苯二甲醛 (OPA)试剂的快速成环反应并形成了结构新颖的1-亚胺异吲哚结构。所得到的异吲哚连接片段还可以继续与其他多种亲电试剂进行一锅反应,扩展为更加复杂的结构或引入有用的功能 (图 1)。

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图1. 邻苯二甲醛介导的三组分反应构建环肽结构及后续功能基团修饰

OPA与氨基组分的反应是个“古老”的化学。早在1909年,Thiele便首次报道了OPA与苯胺在有机溶剂中在室温下反应生成1-酮异吲哚 1 (图 2a)。1970年,Roth发现OPA、伯胺和2-巯基乙醇在碱性水溶液中便可以快速发生三组分反应,生成具有较强荧光的产物(图 2b),后来被Simons鉴定为1-硫代异吲哚 5。而这种由OPA,胺基和巯基生成异吲哚结构的三组分反应随后也被广大研究者们进行了深入的拓展和应用,例如用于生物大分子的标记,荧光成像以及柱前衍生从而分析手性氨基化合物等。2019年,李学臣课题组和Perrin课题组便利用OPA-胺基-巯基三组分反应实现了对天然多肽进行大环化修饰 (图 1b, J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 12274; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 14120)。


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图2. OPA与双胺三组分反应的发现

陈弓教授团队在去年同样利用了OPA-胺基-巯基三组分并结合圆二色谱实现了对氨基酸地快速定量手性识别(图2c、d, Chem. Sci., 2021, 12, 2504)。有意思的是,在这个工作的过程中,他们发现当加料顺序的不同时反应体系的主要产物也会有所变化。若先加入Phe和OPA,2 min后再加入对甲苯硫酚 8,只有少量的产物 9生成,而主要的产物为 10(trace 2);通过对照,在不加入对甲苯硫酚 8情况下,改反应便可以在5 min内迅速选择性地形成 10(trace 3)。随后他们将产物 10进行分离鉴定后发现,其结构应为1-亚胺异吲哚结构 ( 15)。作者将该反应用于简单氨基酸Lys的自身环化上,从而证明了这一反应迅速高效并且具有非常好的产率和区域选择性( 17a/17b > 20/1)。


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图3. N端-侧链环化OPA-双胺反应

通过Lys自身环化反应对OPA-双胺反应产物进行结构确证后,作者尝试将该反应应用于线性肽的大环化(图3a)。以H-Ala-Trp-Gly-Lys-N H 2 ( 18) 为模板底物,在PBS (pH 8.0) / MeOH (1/1)混合溶剂、OPA(1.0 equiv)以77%的分离收率快速生成环化产物 19。这一反应还能在5.0 mM浓度下10秒中即可实现完全转化(trace 6)。有意思的是,与Lys与OPA反应不同,将混合溶剂中MeOH的含量降低到10%时,1-酮异吲哚副产物 20的量会增加(trace 7)。其它醇类助溶剂,如乙醇和三氟乙醇(TFE),也能有效地促进该环化反应。加入二异丙基乙胺(DIPEA, 3.0 equiv)可取代PBS(pH 8.0)磷酸缓冲液(用于中和肽底物中残留TFA),混合溶剂更换为 H 2O/MeOH (1/1)混合物,同样能高效生成 19a(条件[B])。另外,对于某些在MeOH中溶解性不好的肽底物, TFE可以作为有效助溶剂(条件[C]),同样纯TFE也是良好的反应溶剂(条件[D])。


通过底物拓展发现,OPA介导的N端-侧链环化反应具有非常好的底物普适性(图 3b),大多数反应均在2 min内完成。该反应对除Cys外的所有裸露的天然氨基酸如Arg、His、Trp、Tyr、Ser和Glu均可兼容。作者还实现了对具有生物活性的复杂多肽底物进行环化修饰。例如,cyclo(RGDfK) 29、β-黑素促细胞激素( 34)、利拉鲁肽类似物( 35)以及间隔28个氨基酸的胰高血糖素样肽( 33)。衍生得到的OPA类似物同样可以高效率参与环化反应(图 3c)。而且三组分反应也能在固相树脂上直接实现对多肽底物的环化修饰(图 3d,trace 9)。


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图4. 侧链-侧链环化OPA-双胺反应

接着作者又证明了OPA-双胺反应也能通过侧链-侧链的交联反应实现对多肽底物的环化( 4b)。由于两个Lys侧链的氨基具有相同反应活性,因此产物是两个区域异构体的混合物。与N端-侧链环化类似,醇类溶剂作为助溶剂会促进该环化反应。图 4b所示,作者通过侧链-侧链多肽环化策略也可以实现对一些复杂的底物进行修饰。例如,对RNase A的片段 ( 53)、ATSP-7041( 57)以及双环肽( 56)的环化修饰。从 58-60可以看出,当N端氨基与两个侧链氨基均裸露条件下,侧链-侧链的反应为主要产物,说明侧链上氨基的反应活性要高于N端(图 4c)。


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图5. 1-亚胺异吲哚与亲电试剂的拓展反应

随后作者发现OPA环化后所形成的异吲哚亚胺结构能够与某些亲电试剂进一步反应,使用简单的线性肽前体一锅法高效、简便地构建复杂的结构(图 5a)。例如,再与一分子OPA反应生成产物 61,与N-甲基马来酰亚胺 62反应得到C3-烷基化产物 63,与炔烃DMAC 66的反应得到 67,与β-硝基苯乙烯 64反应得到C3-烷基化产物 65。而且该一锅合成法可以实现三次标记反应,以底物 26为例,依次添加OPA,4-Br-OPA和甲氧胺,能够以58%的产率得到三次修饰产物 74(图 5d)。


综上,陈弓教授课题组通过对经典的OPA-胺-巯基三组分反应的深入研究,发现了OPA能够与双胺组分快速反应,生成新颖的异吲哚亚胺结构。这种OPA-双胺反应和一锅法顺序加成反应为多肽的环化及后续选择性修饰提供了一种强有力的策略,为多肽药物的发现提供了新的改造工具。


相关工作最近发表在 Nature Communications上,通讯作者为南开大学 陈弓教授和中国医学科学院药物研究所 李莉研究员。南开大学已毕业博士生 李博为该论文的第一作者,硕士研究生 王岚和博士研究生 陈祥祥对该工作的顺利进行也做出了重要贡献。


原文:

Extendable stapling of unprotected peptides by crosslinking two amines with o-phthalaldehyde
Bo Li, Lan Wang, Xiangxiang Chen, Xin Chu, Hong Tang, Jie Zhang, Gang He, Li Li & Gong Chen
Nat. Commun ., 2022, 13, 311, DOI: 10.1038/s41467-022-27985-7