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【J. Am. Chem. Soc.】通过SuFEx化学将非天然氨基酸用于实现蛋白质的共价键合2021-07-31
将新的化学键引入蛋白质中,可为生化研究、蛋白质工程和生物治疗应用提供创新的途径。
过去,蛋白质的修饰多数是使用半胱氨酸残基与标记物自发形成共价键的方式来进行。而近年来,因为有了利用基因编码的方式实现的非天然氨基酸 (Uaas) 结合到蛋白质中的技术,使得蛋白质直接修饰的问题变得容易了许多。
具有潜在生物反应性的Uaas可以通过与附近的天然氨基酸残基实现特异性形成邻近的共价键。例如含有卤素、丙烯酰胺、乙烯基砜、氨基甲酸芳基酯、氟硫酸盐或醌甲基化物等的Uaas,至今已被基因编码制备,并可以靶向的方式实现与Cys、Lys、His、Tyr和其他亲核氨基酸残基结合。而这些新的分子内共价键至今也被发现能被用于增强各种蛋白质特性,如荧光输出和热稳定性,以及光调节蛋白质结构等。此外,蛋白质之间也可以借此形成共价键,从而用于捕获较弱或瞬时的蛋白质相互作用,并进行进一步的识别和分析。
其中,氟代硫酸芳基酯具有卓越的生物兼容性和可通过硫 (VI) 氟化物交换 (SuFEx) 反应,来实现多靶向的能力。所以,迄今,氟硫酸盐-L-酪氨酸 (FSY) 是唯一一种经过基因编码的含氟硫酸芳基的Uaa。不过,FSY有着相对刚性的结构和较短的侧链,这却限制其在靶向蛋白质的多样性和应用范围。
所以,最近University of California San Francisco的Lei Wang教授J. Am. Chem. Soc.上发表了一种经由基因编码产生的氟磺酰氧基苯甲酰基-L-赖氨酸(FSK),其可用于通过SuFEx化学来实现蛋白质的广泛共价键合化学。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

该研究通过在大肠杆菌和哺乳动物细胞中使用遗传编码制造了一种新的潜在生物反应性Uaa,即上述的氟磺酰氧基苯甲酰基-L-赖氨酸(FSK)。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

由于其较长且相对灵活的含氟硫酸芳基侧链,使得FSK特别适用于共价连接过去FSY无法连接的蛋白质位点。且连接方式不仅限于分子内,包括了分子间、体外和活细胞等方式都可达成。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

此外,该研究也制造了与细胞上的表皮生长因子受体 (EGFR) 不可逆结合的共价纳米抗体,他们发现,FSK和FSY能靶向EGFR上的不同位置,从而对抗潜在的突变抗性。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

此外,他们也建立了使用FSK和FSY进行的基因编码化学交联,以针对捕获活细胞中难以检测的酶-底物相互作用问题进行解决。如此一来,他们就能够靶向除了Cys之外的氨基酸残基,并在结合外围进行交联。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

所以,由此可见,FSK不但补充了FSY的问题,还可扩展目标的多样性和多功能性。它们一同使用还可共同提供了一个强大的SuFEx系统,并可在体外和体内的不同蛋白质中创建共价键,这个将有望广泛用于生物学研究和应用上。

图片来源:J. Am. Chem. Soc.

 

参考文献:A Genetically Encoded Fluorosulfonyloxybenzoyl‑L‑lysine for Expansive Covalent Bonding of Proteins via SuFEx Chemistry

J. Am. Chem. Soc.2021, jacs.1c04259

原文作者:Jun Liu,§ Li Cao,§ Paul C. Klauser, Rujin Cheng, Viktoriya Y. Berdan, Wei Sun, Nanxi Wang, Farid Ghelichkhani, Bingchen Yu, Sharon Rozovsky, and Lei Wang*

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