都說“21世紀是生命科學的世紀”，越來越多化學家加入到生命科學研究中，化學諾獎也頻頻頒給生命科學領域，化學生物學也成了發展日新月異的二級學科。蛋白質很早就成為化學生物學的焦點，原因之一是蛋白質上有豐富多樣的化學基團，正是它們豐富多樣的性質及其在蛋白鏈上的序列決定了蛋白質的功能。實際上，細胞中一些蛋白質在合成後，還有會系統對其中一些特定基團進行修飾（例如在氨基上接上甲基或者乙酰基），進一步調節該蛋白的活性，稱之為“翻譯後修飾”。科學家們由此想到，是否能人為在特定的位點對蛋白質進行修飾，以標記、研究和調控蛋白質的時空分佈，代謝和活性等等。
圖1. 21種常見氨基酸。圖片來源：wikipedia
但這其實很難，要求反應能在細胞環境下進行（限制了反應條件和試劑毒性），同時反應的選擇性高、反應速率快、轉化率高。看看常見的21種氨基酸，不難發現，從有機化學的角度，最容易進行修飾的也就是巰基（半胱氨酸）、氨基（賴氨酸）和酚羥基（酪氨酸）。實際上，此前對蛋白進行化學修飾的著手點也正是這些位點。毫無疑問，拓展基於其他基團的修飾策略會極大的拓寬蛋白質化學修飾的適用範圍，特別是考慮到上述的幾種化學基團通常也都直接關係到蛋白質的功能，在這些位點上的反應可能會永久破壞蛋白質活性。
蛋氨酸由此引起關注。這是一種含量相對較少的（2%）的氨基酸，通常也不涉及蛋白質活性，主要功能只是提高蛋白的抗氧化能力（硫醚具有一定的還原性），因而在該位點的反應更適合用來對蛋白進行化學標記。利用蛋氨酸的弱還原性，在2017年的Science上，來自加州大學伯克利分校的F. Dean Toste教授和Christopher J. Chang教授領導的團隊報道了一種帶有氧化性的有機試劑氧氮丙啶，能夠選擇性地和硫醚反應生成亞磺酰亞胺（
Science, 2017, 355, 597）。 圖2. 氧氮丙啶與硫醚形成亞磺酰亞胺，實現對蛋氨酸的選擇性標記。圖片來源：Science
蛋氨酸有沒有其他反應模式呢？從有機化學的角度出發，不難預期，硫醚可以有一定的親核性，但這種親核性實際相當弱，特別是和半胱氨酸上的巰基一比。不過在一篇2013年的Chem. Commun.上，Timothy J. Deming課題組報道了一種基於烷基化（親核反應）的蛋白質標記策略。使用相對簡單的親電試劑，他們就能選擇性的和蛋氨酸上的硫醚而不是半胱氨酸上的巰基或者賴氨酸上的氨基反應（而且還是可逆的）（Chem. Commun., 2013, 49, 5144）。
圖3. 篩選合適的對蛋氨酸進行烷基化的反應物，2g效果最佳。圖片來源：Chem. Commun.
在Timothy J. Deming課題組報道的這個策略中，雖然得到的產物硫鎓是相對穩定的，但反應非常慢，不適用於細胞環境下的蛋白標記。近期，劍橋大學的Matthew J. Gaunt課題組在Nature上報道了一種基於高價碘試劑的親核反應用於蛋氨酸標記，反應能在水相中迅速高效完成，並且得到的產物由於帶有重氮鋶結構，因而不僅能在高價碘試劑中引入特定化學基團（下圖R3基團），還能通過後續的光化學反應進行二次修飾，拓展了一種新的蛋白修飾模式。
圖4. 基於高價碘試劑的蛋氨酸選擇性標記策略。圖片來源: Nature
實際上，關於高價碘試劑的研究並不是太新鮮的事情，這類試劑能和弱的親核試劑反應，包括最簡單的硫醚——二甲基硫醚。
圖5. 高價碘試劑和硫醚反應生成鋶。圖片來源：J. Org. Chem., 2013, 78, 7488
不過即便如此，將這類反應用於蛋氨酸的選擇性標記仍然不是一蹴而就的。在最早的實驗中，由於高價碘試劑
1a在水中不穩定，產率還是較低。通過改變取代基以及抗衡陰離子優化後得到的1b，能在30min內將72%的二肽2a轉化為目標產物。在用模型蛋白2b開展的實驗中，作者進一步優化了實驗條件：在體系中添加硫脲和氮氧自由基TEMPO。
圖6. 用二肽和簡單蛋白進行反應條件的優化。圖片來源：Nature
在隨後的底物拓展中，作者嘗試了不同的蛋白質，以及帶有不同基團的高價碘試劑，反應都能高效的進行。值得一提的是，像此前的Chem. Commun.那篇工作一樣，這裡的修飾也是“可逆”的。
圖7. 拓展反應的底物以及逆反應。圖片來源：Nature
注意到，產物重氮鋶的結構其實是很特別的，作者在體系中加入可見光光催化劑誘發重氮鋶的單電子轉移反應，經過自由基中間體，在和額外添加的Hantzsch酯反應後，得到較為穩定的硫鎓。如果Hantzsch酯上有取代基，可以得到相應的取代硫鎓（二次修飾）。
圖8. 重氮鋶的光化學反應、機理、底物拓展和二次修飾的示例。圖片來源：Nature
相比賴氨酸、半胱氨酸等位置，蛋氨酸上的選擇性標記對蛋白質活性影響較小，但難度也更大。過去最成功的策略是利用蛋氨酸的還原性，讓氧氮丙啶試劑與硫醚形成亞磺酰亞胺實現標記；在這篇工作中，作者注意到高價碘試劑和硫醚的反應性，通過優化反應條件，高效得到以重氮鋶結構為特徵的產物，並且兼容多種化學基團；並進一步開發重氮鋶結構的光化學反應，實現蛋白質的二次修飾。
原文
A protein functionalization platform based on selective reactions at methionine residues
Nature, 2018, 562, 563–568, DOI: 10.1038/s41586-018-0608-y
導師介紹
Matthew J. Gaunt
http://www.x-mol.com/university/faculty/2561
課題組鏈接
https://www.thegauntgroup.com/mjg
（本文由荷塘月供稿）
閱讀更多 X一MOL資訊 的文章
