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离子液体促进的仿生糖基化,助力ADP-核糖多肽的快速方便合成2020-11-25

▲第一作者:朱安莲,李歆,白莉莉;通讯作者:李凌君,李祥  
通讯单位:河南师范大学,香港大学;论文DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-020-19409-1              
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今日,来自河南师范大学的李凌君团队与朱安莲博士/王键吉教授团队以及香港大学李祥团队、北京大学张礼和院士团队合作,在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Biomimetic α-Selective Ribosylation Enables Two-step Modular Synthesis of Biologically Important ADP-Ribosylated Peptides”的研究论文。受到自然界ADP-核糖化机制的启发, 作者发现离子液体与水混合物能够有效促进辅酶烟酰胺腺苷二磷酸(NAD+)发生阿尔法选择性的ADP-核糖化反应。 利用该反应,作者发展了目前最简便的两步模块化合成ADP-核糖多肽的路线,并快速制备出具有多维生物功能的、结构多样的ADP-核糖多肽。
背景介绍

ADP-核糖化是一种高度复杂的动态蛋白质翻译后修饰,它通过在靶蛋白质特定氨基酸残基引入ADP-核糖单元,对诸如DNA损伤修复等重要的生理和病理过程进行调控。ADP-核糖化多肽是研究蛋白质ADP-核糖化的重要分子工具,但是其结构复杂、合成困难。如何方便的制备ADP-核糖化多肽是该领域研究面临的重要挑战之一。

本文亮点

(一)离子液体促进的选择性仿生ADP-核糖化反应
在本工作中,我们发现离子液体水溶液能够模拟酶反应体系,促进内源性分子NAD+与叠氮钠反应生成ADP-核糖叠氮。通过对于离子液体进行筛选,最终发现乳酸二乙醇胺离子液体能够立体选择性(α:β = 25 : 1)地促进ADP-核糖叠氮的合成。该离子液体/水反应体系可在空气中操作,无需惰性气体保护,并适用于多种NAD+衍生物。
(二)两步模块化合成ADP-核糖化多肽通过串联仿生的ADP-核糖化反应和点击化学,发展了高效的两步制备ADP-核糖化多肽的新路线。该路线以易得的NAD+和固相合成的多肽为原料,在试管中进行反应,无线任何复杂反应装置,可在一天内合成结构多样的ADP-核糖化多肽。
(三) ADP-核糖化多肽与Macrodomain结构域的特异性结合研究本研究合成的α型ADP-核糖化多肽能够与天然的蛋白ADP-核糖化识别结构域Macrodomian高特异性的、竞争性的结合(EC50 = 2.1 μM;IC50 = 4.0 μM)。该结果表明此类新型的ADP-核糖化多肽可作为实用的分子工具研究蛋白ADP-核糖化的精准结构与生物功能。
(四)ADP-核糖化多肽在细胞匀浆中富集结合蛋白α型ADP-核糖化多肽能够在HeLa S3细胞匀浆中有效地垂钓mH2A1.1和 PARP9蛋白。该结果显示此类多肽有望用于研究ADP-核糖化参与的蛋白-蛋白相互作用,发现未知的ADP-核糖结合蛋白。
(五)PARP1催化的ploy ADP-核糖化本研究发现我们设计合成的ADP-核糖化多肽能够在PARP1催化下,有效地制备包含数百个ADP-核糖化单元的多肽,从而发展了一种新的ploy ADP-核糖化分子工具,有望用于检测poly ADP-核糖化过程的分子机制及制备其特异性抗体。
图文解析

▲图-1离子液体促进的仿生ADP-核糖化反应。(A)酶促ADP-核糖化反应中的协同作用;(B)供筛选使用的离子液体结构;(C)仿生转化NAD+到ADP-核糖叠氮;(D)筛选结果分析;(E)催化活性最佳的离子液体;(F-H)适用于该反应的核苷酸。

▲图-2两步模块化合成ADP-核糖化多肽。(A)串联仿生糖基化反应和点击化学的路线;(B)最佳的点击化学反应条件;(C)模块化合成的操作流程;(D)三唑糖苷键和酯基糖苷键的结构对比;(E)合成各种ADP-核糖化多肽的反应效率;(F-G)本文中用到的多肽结构;(H)用于验证多肽活性的生物学实验。

▲图-4 本文合成的ADP-核糖多肽模拟天然ADP-核糖化的生物功能。(a-e)ADP-核糖化多肽与天然蛋白质ADP-核糖识别结构域mH2A1.1及突变体mH2A1.2的特异性结合实验;(f)ADP-核糖化多肽富集HeLa S3细胞匀浆中的mH2A1.1 和 PARP9;(g)ADP-核糖化多肽作为PARP1的有效底物进行poly ADP-核糖化反应。

总结与展望

本研究揭示了离子液体能够促进阿尔法选择性的仿生ADP-核糖化反应,并由此发展了两步模块化制备ADP-核糖化多肽地方法,为多维生物功能地蛋白质ADP-核糖化翻译后修饰研究提供了重要的分子工具。

专家点评

邀请中国科学院化学研究所、中科院院士 韩布兴研究员,浙江大学 李浩然教授,北京大学 陈鹏教授对该工作进行了点评。
离子液体功能的拓展离子液体是一类重要的绿色溶剂和功能流体。本研究发现利用离子液体的协同效应,能够有效地模拟酶促ADP-核糖化反应,实现了以生物来源的NAD+为原料立体选择性地制备ADP-核糖化叠氮,进而发展了简洁方便的制备具有多维生物活性地复杂结构多肽的新途径。此研究展示了离子液体作为新颖材料在促进复杂生物反应过程中的成功应用;合理有效地利用离子液体,有望促进化学生物学领域研究工具的设计和开发。筛选方法用于离子液体功能研究的潜在优势离子液体是一类结构多样的离子化合物,结构种类可达到1018。如何利用离子液体结构多样性开发其潜在的功能是该领域挑战性科学问题。此研究成功设计了一条基于筛选的方法,并通过该方法发现了有用的仿生ADP-核糖化反应,简化了一类复杂结构生物活性多肽的设计合成,发展了有效的用于蛋白质翻译后修饰的化学生物工具。基于筛选方法能够有效规避反应机理研究不足及设计者的主观偏见。因此,利用筛选方法和多样性的离子液体库连用的策略有望成为开发离子液体新功能的有效新途径。利用新思路简化蛋白质翻译后修饰研究工具的设计合成合成包含翻译后修饰结构单元的多肽和蛋白是研究蛋白质翻译后修饰的重要环节。但是直接的细胞表达方法通常不能有效引入非基因编码的修饰结构,而化学合成方法往往需要复杂的反应条件和专业的操作技能。此研究针对既包含多肽结构又包含核苷酸结构这一复杂的蛋白ADP-核糖化翻译后修饰,通过设计新颖的离子液体仿生催化反应,发展了两步模块化合成生物活性ADP-核糖化多肽的简单方法。该方法无需特殊设备并可在EP管中进行。作者利用他们的方法验证了其合成的多肽在与Macrodomian识别,在细胞匀浆中富集结合蛋白以及进行高效poly ADP-核糖化反应的有效应用。这类合成方便、活性优良的化学生物学工具有望在蛋白质ADP-核糖化分子机制、蛋白-蛋白相互作用研究等领域得到进一步应用。
作者介绍

朱安莲 博士朱安莲博士,2007年毕业于中国科学院化学研究所获得博士学位,随后进入河南师范大学化学化工学院工作至今。主要从事功能溶液化学及离子液体在绿色催化反应中的应用研究。李歆 博士李歆博士获香港研究资助局博士后基金支持,目前于香港大学化学系进行博士后研究。主要研究方向为表观遗传学相关蛋白化学探针的开发及功能探究。王键吉 教授王键吉,河南师范大学化学化工学院教授,博士生导师,主要从事离子液体结构-性质关系和绿色介质的研究。 李祥 教授李祥教授2011年加入香港大学化学系。课题组近年研究致力于开发新型化学工具和方法,以探究表观遗传学修饰的调控机制及生物学意义。李凌君 教授李凌君教授致力于核酸化学生物学研究,以人工设计合成核苷酸分子为工具,通过多学科交叉解决基因密码拓展、蛋白-蛋白相互作用等生物医学领域的问题。先后在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., PNAS, Cell Chem. Biol等发表研究论文30余篇。设计合成的分子(如TPT3/NaM等)已被多领域科学家广泛使用;系列研究成果得到了Nature Research, Science Daily、ACS和新浪医药等媒体积极评述和采访报道。
​研之成理