南开大学陈弓课题组：基于X-芳基化反应的多肽骨架构象“塑身术”-元素有机化学国家重点实验室

研究成果

南开大学陈弓课题组：基于X-芳基化反应的多肽骨架构象“塑身术”

来源：X-MOL资讯 发布时间：2023/07/06

多肽分子为探索小分子药物和生物大分子之间广阔的化学空间提供了一个独特的平台，为目前药物开发中的一些难题，如蛋白质蛋白质相互作用的调节，提供了重要的解决方案。与小分子药物和蛋白质药物一样，多肽的三维结构是其生物活性的关键。尽管多肽结构改造研究在过去几十年中取得了重要进展，化学家对由常规氨基酸组成的短肽的结构进行调控的能力仍然相当有限。现有的多肽修饰策略大多依赖于相对较弱的约束力来对多肽的构象自由度进行简单的限制，难以对多肽骨架的构象（conformation of peptide backbones）进行自由的调控。

有意思的是，大自然已经展示，多肽可以通过翻译后修饰或非核糖体合成途径产生多种具有独特骨架构象的非常规结构。生成这些结构的最有效方法之一就是利用酶催化把一个或多个芳基侧链利用碳-碳或碳-杂键“焊接”起来从而生成各种环芳型产物（cyclophane）。由于环芳结构的刚性和张力，由芳基侧链连接而成的芳基组装体（assembly）可以刚性支撑架（brace）的方式对多肽骨架的构型进行强力的调控，产生传统多肽无法获得的三维结构（图1A、1B）。然而，这些天然产物中芳基支架通常需要复杂的生物合成途径来安装，相应的化学合成有着极大的挑战，其包含的结构元素难以在常规多肽底物的改造中直接应用。

图1. 基于环芳支架的多肽构象重塑策率

近日， 南开大学陈弓课题组 利用铜催化多肽侧链杂原子双芳基化反应为线性多肽的构象调控提供了一个独特且通用的新策略（图1C）。多肽底物的两个芳基侧链通过N或O原子与各种芳基二碘化物连接从而安装上可以调节跨度、角度和张力的“多关节”环芳支架，像盆景栽培中的“定型钢丝”一样对多肽主链的构象进行灵活和强力的塑身。

如图2所示，作者首先对含有碘代苯丙氨酸线性多肽的分子内Ullmann型关环反应进行了条件优化。在含有芳基碘和色氨酸（Trp）的线性肽链中，作者确定了反应的最优条件：20% CuI作为催化剂，1.1当量的苯甲酰丙酮作为配体，3当量的 K ₂ CO ₃作为碱，在DMF溶剂中120 ℃，氩气保护下，7 h实现了线性肽中色氨酸侧链N原子的芳基化成环。其中LC收率达到了91%，分离收率为63%。

图2. 多肽分子内X-芳基化关环反应条件优化及底物拓展

在确定了最优条件之后，作者对底物的适用范围做了考察。肽链中不同位置色氨酸均显示出良好的反应活性（ 4-11）。作者将常规氨基酸的反应活性进行了分类：第一类高活性的杂原子芳基侧链和伯酰胺（Trp(N)（ 2）、His(N)（ 15）、Tyr(O)（ 16）、CON H ₂（ 17, 18））；第二类为中等至较好反应活性的Cys(S)（ 20）、Arg(N)（ 19）和伯胺（ 21, 22）；第三类为痕量产物的Pro(N)和骨架内酰胺（N）；第四类为无反应活性的醇、羧酸和硫化物。该反应较为广泛的适用性必然会带来选择性的问题。为此，作者采取了保护基策略。作者对常用的保护基进行了考察发现，His和Asn的保护基Trt（ 28, 29）；Lys的保护基Cbz（ 31）；Cys的保护基Bn（ 30）都能够与反应体系兼容。

在对分子内杂原子芳基化的反应效果进行优化之后，作者以含有两个侧链杂原子反应位点的线性多肽为底物，使用二碘芳烃作为连接试剂，通过适当增加Cu催化剂、配体和碱的用量，实现了对常规肽链的双芳基化（double X-aryl）装订（图3）。在五肽底物 32和间二碘苯的模板反应中，产物的LC收率达到了75%。在色氨酸和二碘芳烃的两组分反应中，肽链中两个色氨酸之间间隔为0-6个丙氨酸，均能获得中等至较高的收率（ 36-44）。反应位点色氨酸构型的改变并不会影响反应的效果（ 45, 46）。类似的，两个His侧链或者两个Tyr均能与二碘芳烃实现较为高效的环化（ 47-51）。另外，同一个肽链中两个不同芳基侧链杂原子也能够与芳基碘实现较高效率的成环（Tyr/Trp、His/Trp、His/Tyr ( 52-57)）。但是在肽链中含有一个芳基侧链杂原子和另一个非芳基侧链杂原子时，该反应的环化效率为中等（ 58, 59）。除了二碘苯之外，其他的二碘芳烃也能获得较好的反应效果。

图3. 常规肽链的双芳基化侧链交联

通过和多伦多大学 Andrei Yudin课题组合作，作者使用X-ray、核磁和分子动力学模拟（MD）手段对多个含有吲哚-苯环-吲哚三芳基支架的环肽化合物进行了细致的构象研究（图4）。含有对位芳基结构的分子是相对稳固的，两个Cβ锚定位点只是在小幅度发生改变。由于三芳基结构的刚性，较小环肽的环张力主要表现在多肽骨架的压缩或者拉伸。相对的，V型结构的间位芳基结构，其两个Cβ锚定位点的灵活度更高，成环之后的应变力能够驱动锚定位点的旋转，使肽骨架发生了明显的扭曲。

图4. 含有吲哚-苯环-吲哚“三芳基支架”的环肽分子结构分析

含有对位结构的化合物 37和 46的X-ray结构中除了主要构象还包含两个次要构象。在 37的次要结构中，Ala2的甲基转动了25°。在 46的结构中，对位苯环连接子转动了86°，Ala1的甲基发生了轻微的移动。由于较为明显的环张力， 37结构中的对位苯环连接子平面被扭曲成轻微的船式结构。此外，化合物 37的MD溶液结构与X-ray晶体结构略显不同，特别是Trp1的酰胺结构翻转了180°。在 37的MD溶液结构中，Ala1在拉氏图中显示出正的Phi值，这在L-氨基酸中是较为少见的。但是在其X-ray中，其骨架采取了 β-strand构象，这种构象在 i,i+2位置的侧链交联中非常难得。化合物 46含有两个D-Trp反应位点，其苯环并没有发生较大的形变，但是两个N原子和苯环平面发生了较大的偏移（11.4和19.2°），其骨架中Ala2产生了较大的弯折，其羰基C-O键与邻近的Ala1几乎平行。间位苯环连接子在成环之后并没有发生弯折（晶体结构 38和 33）。与 37的X-ray结构相比， 38中两个Trp的Cα-Cβ几乎是垂直的，这表明了肽链骨架发生了较大程度的扭曲。化合物 38的溶液结构和晶体结构中，其骨架构象显示出较好的一致性。含有3个Ala的化合物 33其骨架为 β-strand类型构象。此外，由于化合物 33的Linker较短，其骨架显示出略微弯曲的特点。对环番骨架结构进行拉氏图分析显示，许多氨基酸的二面角处于 β-strands范围。一些氨基酸如化合物 37的Ala1和化合物 46的Ala2采取了较为罕见的构象。如图4底部所示，通过选用不同的双碘芳基连接子和不同的氨基酸间隔数目，所产生的相应环芳支架可以对多肽骨架进行常规手段难以实现的压缩、拉伸、弯曲和扭曲等构象调控。

总结

综上，该工作报导了一类基于常规多肽芳基侧链杂原子双芳基化反应的多肽构象调控新策略。该策略操作简单，底物适用广，可显著丰富环肽骨架的结构多样性。更重要的是，所形成的环芳支架能够对多肽骨架进行灵活和强力的构象重塑。这样的构象调控能力有望显著扩增多肽分子的化学空间，在相关的生物活性开发中发挥重要作用。该工作近期发表在 J. Am. Chem. Soc.，通讯作者为南开大学陈弓教授和加拿大多伦多大学 Andrei Yudin教授。南开大学博士研究生杨朋为该论文的第一作者。

原文：

Teraryl Braces in Macrocycles: Synthesis and Conformational Landscape Remodeling of Peptides

Peng Yang, Martynas J. Širvinskas, Bo Li, Nicholas W. Heller, Hua Rong, Gang He, Andrei K. Yudin*, and Gong Chen*

J. Am. Chem. Soc ., 2023, 145, 13968–13978, DOI: 10.1021/jacs.3c03512

导师介绍

陈弓

https://www.x-mol.com/university/faculty/22657

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