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2021 , Vol. 79 >Issue 4: 406 - 413

  DOI: https://doi.org/10.6023/A20110530

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文章编号: A20110530  

文献标识码: A

综述

生物正交反应在我国的研究进展

展开
  • a 北京大学化学与分子工程学院 合成与功能生物分子中心 生物有机与分子工程教育部重点实验室 北京 100871
  • b 北京分子科学国家研究中心 北京 100871

汪欣, 2019年博士毕业于北京大学前沿交叉科学研究院, 现为北京大学博雅博士后, 导师陈鹏教授, 主要研究方向为非天然氨基酸、蛋白质化学、生物正交剪切反应的开发与应用.

张贤睿, 2020年本科毕业于中山大学化学学院, 现为北京大学化学与分子工程学院博士研究生, 导师陈鹏教授, 主要研究方向是非天然氨基酸以及生物正交断键反应在蛋白质化学中的应用.

黄宗煜, 2019年本科毕业于北京师范大学化学学院, 现为北京大学化学与分子工程学院研究生, 导师陈鹏教授, 主要研究方向是生物正交断键反应、亚细胞蛋白质组学.

樊新元, 北京大学化学与分子工程学院副研究员. 本科(2007)和硕士(2010)均毕业于兰州大学, 2014年获西班牙加泰罗尼亚化学研究所博士学位(Cum Laude), 毕业后经北京大学博士后训练后入职南京工业大学, 随后于2019年全职入职北京大学至今. 研究工作主要以生物应用为导向、以有机化学为手段, 围绕“蛋白质化学”的主线开展生物正交反应、遥控化学工具等相关的化学生物学研究.

陈鹏, 北京大学化学与分子工程学院教授、化学生物学系主任. 2002年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院, 2007年获得美国芝加哥大学化学博士学位, 并随后在Scripps研究所从事博士后研究. 2009年7月回国, 在北京大学开展化学生物学研究与教学工作. 致力于活细胞上的化学反应开发与生物学应用, 提出并发展了“生物正交剪切反应”, 突破了在活细胞内研究蛋白质的技术瓶颈, 并应用于蛋白质药物开发, 开拓了生物正交反应新方向, 受到国内外同行的广泛关注与应用. 现任生物有机与分子工程教育部重点实验室主任, 中国化学会化学生物学专业委员会主任, 美国化学会ACS Chemical Biology期刊副主编等.

收稿日期：2020-11-19

  网络出版日期：2021-01-07

基金资助

国家重点研发计划(2016YFA0501500)

国家重点研发计划(2019YFA0904201)

国家自然科学基金(91753000)

国家自然科学基金(21740001)

国家自然科学基金(22077004)

国家自然科学基金(91957101)

国家自然科学基金(21708020)

收起

Recent Progress of Bioorthogonal Chemistry in China

Expand
  • a Synthetic and Functional Biomolecules Center, Key Laboratory of Bioorganic Chemistry and Molecular Engineering of Ministry of Education, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, China
  • b Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Beijing 100871, China
* E-mail:

Received：19 Nov. 2020

  Online：7 Jan. 2021

Fund

National Key Research and Development Program of China(2016YFA0501500)

National Key Research and Development Program of China(2019YFA0904201)

National Natural Science Foundation of China(91753000)

National Natural Science Foundation of China(21740001)

National Natural Science Foundation of China(22077004)

National Natural Science Foundation of China(91957101)

National Natural Science Foundation of China(21708020)

Copyright

© 2021 Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences
Fold

摘要

生物正交反应是指能够在生物体系中进行、且不会与天然生物化学过程相互干扰的一类化学反应. 这类反应的出现为科学家对生命进程的原位研究带来了革命性的技术, 已经成为化学生物学这一新兴交叉领域的核心方向之一. 自这一概念提出的近二十年里, 生物正交化学经历了反应类型由单一的“偶联反应”向成键偶联、断键剪切反应并重, 应用场景由简单的活细胞体系向更为复杂的生物活体升级的一系列发展历程. 同时, 在生命科学研究、医药研发、临床诊疗等多个领域展示出了广阔的应用前景. 我国化学生物学领域的学者们积极参与并推动了生物正交反应的快速发展, 在反应开发、体系优化和实际应用等方面开展了一系列原创工作, 取得了瞩目的成绩; 尤其是在“生物正交剪切反应”概念的提出与开发应用等方面产生了重要的国际影响. 本综述中, 分别按照金属介导、光介导和化学小分子介导的生物正交偶联反应以及生物正交剪切反应, 对近五年来我国学者在该领域的代表性成果进行系统介绍. 最后对生物正交反应的进一步发展与应用加以展望. 我们期待更多高效、兼容的生物正交反应得以发展, 并提出“遥控生物正交化学”的未来发展目标, 期待更多的化学家能够加入生物正交反应的开发拓展与应用探索当中.

关键词： 生物正交反应 ; 生物正交剪切反应 ; 生物正交偶联反应 ; 遥控生物正交化学 ; 剪切化学

本文引用格式

汪欣 , 张贤睿 , 黄宗煜 , 樊新元 , 陈鹏 . 生物正交反应在我国的研究进展[J]. 化学学报, 2021 , 79(4) : 406 -413 . DOI: 10.6023/A20110530

Xin Wang , Xianrui Zhang , Zongyu Huang , Xinyuan Fan , Peng R. Chen . Recent Progress of Bioorthogonal Chemistry in China[J]. Acta Chimica Sinica, 2021 , 79(4) : 406 -413 . DOI: 10.6023/A20110530

Abstract

Bioorthogonal chemistry refers to chemical reactions that can be carried out in biological systems without interfering with natural biochemical processes. During the past two decades since its emergence, the scope of bioorthogonal chemistry has been greatly expanded from ligation to cleavage reactions, with broad applications ranging from live cells to animals for biological studies, medical as well as pharmaceutical research. Chinese chemical biologists have actively participated in this exciting area, and a series of important work has been carried out with notable achievements. In particular, the creation and development of bioorthogonal cleavage reactions and its diverse applications have drawn considerable attentions. In this review, we summarize the representative work on bioorthogonal chemistry that been developed in China in recent five years. These works will be categorized into metal-, photo- and small molecule-mediated bioorthogonal ligation as well as cleavage reactions, respectively. In the end, we will discuss the future development along this exciting avenue and the further innovation of the “remote-control bioorthogonal chemistry”, which may eventually drive the bioorthogonal reactions into living animals or even human being.

Key words： bioorthogonal reaction ; bioorthogonal cleavage reaction ; bioorthogonal ligation reaction ; remote bioorthogonal chemistry ; bond-breakage chemistry

1 引言

生物正交反应是指能够在生物体系中进行、且不会与天然生物化学过程相互干扰的一类化学反应. 这类反应的出现为科学家们对生命进程的研究带来了革命性的技术, 是化学生物学领域的重要前沿[1⇓-3]. 成为生物正交反应的条件极为苛刻, 水相、中性、常温、常压等温和的反应条件是能在生物体系中进行的基本前提, 而高反应特异性和无生物毒性则是不与天然生命过程相互干扰的基本条件. 因此, 尽管有机化学家已经开发出了成千上万种化学反应, 但能用于活细胞等活体环境的生物正交反应屈指可数.
初期的生物正交反应主要是指偶联反应, 用于在生物体复杂环境中对目标生物分子进行标记、示踪、富集或修饰改造等[4⇓⇓⇓-8]. 2000年, Bertozzi课题组[9]基于Staudinger还原反应而开发出Staudinger偶联反应, 即叠氮-膦基酯反应, 并将其用于细胞表面的化学修饰. 自此逐渐开启了生物正交反应的研究热潮. 经过十多年的发展, 十余种用于活细胞中的生物正交反应被发现或者开发. 这些反应在活细胞成像、生物组学分析、疾病诊断、药物开发等研究中发挥了重要作用, 展现出了巨大潜力.
随着研究的深入和应用的展开, 生物正交反应的内涵也在不断拓展, 在最初单一的偶联反应基础上, 我们与国际同行一起发展了基于化学键断裂的生物正交剪切反应[10]. 2013年, Robillard课题组[11]发现在生理条件下四嗪分子可触发反式环辛烯基团的脱除反应从而释放出氨基基团, 可用于前体药物的激活. 我们课题组于2014年利用这类逆电子需求的狄尔斯-阿尔德反应实现了以蛋白质为代表的生物大分子的原位激活[12], 结合之前发展的基于钯催化的断键反应及蛋白质激活[10], 我们提出了“生物正交剪切反应”这一新的概念, 并展示了其应用场景. 随后, 这类新反应在前体药物、可控释放的抗体药物偶联物的设计, 以及蛋白质、糖类、核酸等生物大分子的功能调控等方面展现出了强大的优势和前景[13⇓⇓-16].
近年来, 我国化学生物学工作者们在生物正交反应的开发、发展与应用等方面都开展了一系列重要的工作、取得了瞩目的成果(图1). 特别在生物正交剪切反应的提出、发展及应用方面一直保持重要的国际影响力. 在本篇综述中, 我们将按照反应类型, 分别从金属介导、光介导以及化学小分子介导的偶联反应和剪切反应的角度对近年来我国学者在生物正交反应领域的代表性研究成果进行介绍, 并在此基础上总结该领域的问题与挑战以及未来的发展方向.
图1 生物正交反应在我国的研究进展

Figure 1 Recent progress of bioorthogonal chemistry in China

2 生物正交偶联反应

2.1 金属介导的偶联反应

众所周知, 被称作“点击”化学(Click chemistry)的一价铜离子催化的叠氮-炔基环加成反应(CuAAC)是发展最早、应用最广的生物正交偶联反应之一, 近来广泛应用于化学与生命科学交叉研究、以及分子诊断、药学等不同领域[17]. 其中付华课题组[18]与我们课题组[19]在早期使用铜金属离子, 分别报道了利用铜催化的点击化学反应, 对大肠杆菌胞质内的蛋白质进行了特异标记以及含有芳基邻二胺的肽段同核苷上的羰基偶联反应, 证实了其在生物正交领域的应用前景. 鉴于CuAAC反应会产生活性氧自由基进而阻碍了它在细胞、组织以及活体上的应用; 2019年, 曲晓刚课题组[20]设计开发了一种可用于点击化学的锆金属-有机骨架的非均相铜催化剂, 并通过修饰线粒体定位基团实现催化剂的靶向定位, 进而利用线粒体特异的点击化学进行药物分子的原位定点合成(图2a). 这一基于亚细胞器靶向策略的体内药物合成方法, 能够避免毒性分子的递送问题. 同时, 研究表明, 局部合成的药物具有更高的药效以及较低的副作用. 近期, 刘红科、赵劲、郭子建等[21]精妙利用肿瘤病灶部位远高于正常细胞的铜离子含量, 引发对肿瘤及正常细胞均无毒性的叠氮钌配合物Ru-N3和炔基修饰的大黄酸rhein-alkyn之间快速高效的点击化学反应, 进而获得高活性的肿瘤药物Ru-rhein靶向肿瘤细胞的线粒体通过自噬导致肿瘤死亡, 并提出了“生物正交催化致死”策略, 利用肿瘤细胞作为抗癌药物的合成工厂, 在避免潜在的金属毒性的同时, 又减少了药物在体内转运过程中分解和失活, 为癌症精准和高效治疗的药物研发提供了新的潜在技术手段和平台.
图2 金属介导的生物正交偶联反应

Figure 2 Metal-mediated bioorthogonal ligation reactions[20,22,25,27]

此外, 金属铱也可用于催化炔基叠氮的环加成反应. 2017年, 宋汪泽课题组[22]发展了低毒性、高配位能力的铱配合物催化炔基叠氮之间的环加成反应(图2b). 由于铱与炔胺有着更强的配位能力, 这一反应较传统的CuAAC反应具有更高的区域选择性, 同时也可以在复杂的生物介质以及空气中保持更高的稳定性. 利用该反应, 作者成功实现了非天然糖的修饰, 展示了该反应用于生物正交偶联应用的潜力.
此外, 在现代有机合成化学中具有重要意义的过渡金属钯, 同样推动了生物正交偶联反应的发展. 例如我们课题组[23]设计了一种无需配体的钯催化Sonogashira偶联反应, 能够在活细胞内进行位点特异的蛋白质标记. 陈万芝等[24]利用钯催化的交叉偶联实现了哺乳细胞表面蛋白质的标记. 在这之后, 钯催化的生物正交偶联反应得到了快速的发展. 2018年, 曲晓刚课题组[25]设计了一类可以被光调控的多功能生物正交金属钯催化剂并成功用于催化细胞内的Suzuki-Miyaura交叉偶联(图2c). 他们通过模仿生物酶的变构调节机制, 用偶氮苯和β-环糊精的超分子复合物修饰具有优异催化活性的钯负载大孔二氧化硅, 使其催化活性随着结构变化而发生改变. 进一步利用光照条件下偶氮苯发生构型变化诱导β-环糊精分子发生解离或结合, 进而恢复钯的催化活性, 实现偶联反应, 为多相催化剂应用于精确荧光成像和特异靶向提供了新的视角. 最近, 邹滔滔课题组[26]通过设计功能化的钯催化剂, 使其在整合素高表达的肿瘤细胞中靶向聚集, 并进一步巧妙利用钯介导的转金属化反应激活稳定氮杂环卡宾-金配合物, 生成具有高细胞毒性的活性金物种, 进而诱导在细胞以及活体内的抗癌活性; 该方法可以有效避免具有抗肿瘤活性金配合物受到体内巯基化合物竞争结合的同时, 时空特异的选择性实现其在生物体系中的可控激活, 为生物正交激活提供了一种新的策略.
值得注意的是, 黄蔚课题组[27]还利用二苯并氮杂环辛炔(DBCO)的点击化学反应活性, 通过银催化下DBCO的重排酰化实现生物正交偶联反应(图2d). DBCO作为张力驱动的炔基叠氮环加成反应(SPAAC)当中最具代表性的底物之一, 在生物正交领域得到了广泛的应用. 但其课题组在研究中发现DBCO会在三氟乙酸(TFA)或醋酸银的催化下发生新的重排反应, 生成吲哚类化合物, 从而消除了DBCO的点击反应活性. 通过对反应机理的进一步探究, 他们发现该反应可以通过银催化剂同体系中的游离氨基发生偶联反应. 针对这一特性, 他们使用不同功能基团修饰的DBCO, 利用这一新的重排反应分别在氨基酸、多肽、糖肽、蛋白质、糖蛋白以及噬菌体上完成了功能基团与游离氨基的偶联, 为生物正交偶联反应的设计提供了新的方法与思路.

2.2 光介导的偶联反应

相较于金属催化, 光介导的反应由于其可方便地利用外源光加以控制, 在时间分辨等方面具有天然的优势. 可见光催化的化学反应近年来得到了广泛的关注, 许多新型反应和催化剂被开发出来. 其中部分反应可用于生物大分子的偶联修饰等. 例如, 陈以昀课题组[28-29]通过在柚皮苷上修饰N-酰氧基邻苯二甲酰亚胺, 并在可见光的诱导下产生烷基自由基, 同磺酰苯基修饰的芳香炔发生自由基偶联反应, 实现了C(sp3)—C(sp)的自由基偶联反应(图3a). 在此工作中, 他们将反应底物与人的碳酸酐酶共孵育, 发现碳酸酐酶与空白对照组相比反应活性不发生变化, 说明此类光介导的生物正交偶联反应具有良好的特异性与生物相容性.
图3 光介导的生物正交偶联反应

Figure 3 Photo-mediated bioorthogonal ligation reactions[28,30-31]

此外, 张艳课题组[30]报道了无需催化剂参与的菲醌和富电子烯烃的[4+2]环加成光化学反应(图3b). 该反应可以在生命体系中快速发生, 且不会同体系中的其他亲核物种(如水等)发生副反应; 进一步他们也成功地将这一光化学反应应用于小牛血清蛋白的标记, 表明该偶联反应在蛋白质标记上具有一定的时间分辨率. 同时他们还对该反应与其他生物正交偶联反应的兼容性进行了验证, 证实其可以在生命体系下与铜催化的点击反应相互兼容. 这一可见光诱导的偶联反应为在活细胞内的应用提供了更多安全有效的策略.
1,3-偶极环加成反应同样在生物正交化学中得到了深入地研究. 2018年, 余志鹏课题组[31]通过构建二芳基取代的悉尼酮, 利用紫外光照射加速1,3-偶极中间体的生成, 大大提高了中间体的活性, 并进一步和烯烃发生[3+2]环加成反应(图3c). 其课题组[32⇓-34]还对多种二芳基取代组合的悉尼酮进行了反应活性的筛选, 通过将筛选出来的高反应活性二芳基悉尼酮与不同的烯烃、炔烃等反应底物相结合, 构建了多种基于悉尼酮1,3-偶极环加成的生物正交体系, 实现了活细胞中不同多肽以及蛋白质的偶联标记, 进一步丰富了生物正交偶联反应的类型, 为生命体系时空分辨的精准研究提供了有力工具.

2.3 化学小分子的偶联反应

无需催化剂和外源能量驱动而直接发生特异性偶联反应, 则是更为诱人的一类生物正交反应; 我国学者也在这方面开展了重要的研究工作. 例如, 雷晓光课题组[35]在早期报道了基于原位产生的临亚甲基苯醌和乙烯基硫醚之间发生的点击异狄尔斯-阿尔德(HDA)环加成反应. 其中作为反应物的乙烯基硫醚由于具有分子体积小、生命体系中稳定性高的特点, 使该反应可以应用于生物分子的正交偶联, 实现了蛋白质或其它生物分子的标记(图4a). 随后, 他们[36-37]对这一反应对进行了进一步的优化, 通过在喹啉环上连接具有强吸电子作用的氰基和酯基以提高反应速率, 并成功地将其应用到核酸、细胞器等体系的标记之中.
图4 化学小分子介导的生物正交偶联反应

Figure 4 Small molecule-mediated bioorthogonal ligation reactions[37-38,40-41]

此外, 尹正课题组[38]设计将有机合成中最常见的 C—C键偶联反应应用于生物正交偶联中. 他们通过噻唑烷二酮和醛基之间的羟醛缩合发展为生物正交偶联反应, 实现了肌红蛋白特定位点的化学修饰(图4b).
叠氮化物除了作为经典的CuAAC的反应底物之外, 同样可以和膦(如三苯基膦)发生施陶丁格反应(Staudinger reaction). 席真课题组[39-40]合成了一系列多氟取代的芳香叠氮化物, 用以实现生物正交体系中的无水解施陶丁格反应(图4c). 他们通过调节芳香环上氟原子的取代数量对叠氮的亲电性进行调节, 从而优化反应速率(50 L•mol–1•s–1), 并成功地将优化后的施陶丁格反应应用于核酸及蛋白质的荧光标记.
而付华课题组[41]在近期设计通过氯代喹喔啉与邻二硫酚的双亲核取代反应同时实现生物正交连接与剪切反应(图4d). 在这一反应中, 邻二硫代苯酚作为亲核试剂进攻氯喹噁啉, 发生双亲核取代反应, 反应除了生成四环化合物这一偶联产物外, 同时还会释放一分子的活性功能分子. 通过这一生物正交偶联-断裂复合反应, 研究者们可以通过在氯喹噁啉上连接具有一定生物调节功能的活性小分子, 在利用偶联反应实现蛋白质标记的同时, 释放诸如生物素等活性小分子. 该方法可用于偶联、剪切以及蛋白质分子的标签转换等, 为生物正交化学的拓展提供了一种新思路.

3 生物正交剪切反应

随着生物正交反应研究和应用的不断深入, 反应类型和内涵也在不断的拓展, 其中最重要的突破之一是生物正交剪切反应的提出与发展. 与成键化学为主的生物正交偶联反应相对应, 生物正交剪切反应是借助化学键断裂来实现目标生物分子的原位释放、激活或功能调控. 自提出以来, 生物正交剪切反应已展示出广阔的应用前景和潜力, 受到越来越多的关注.
我国学者在国际上首次提出“生物正交剪切反应(bioorthogonal cleavage reaction)”这一概念[10,12⇓-14], 并在反应开发、生物应用等方面一直保持着国际领先水平. 以下我们将分别按照金属介导、光介导和化学小分子介导的反应类型对近年来我国在生物正交剪切反应领域的代表性成果进行归纳和介绍.

3.1 金属介导的剪切反应

众所周知, 过渡金属Pd 催化的交叉偶联反应, Cu 催化的点击化学反应以及Ru参与的烯烃复分解反应, 均在生物正交偶联反应中有着举足轻重的地位. 同样地, 这些过渡金属在生物正交剪切化学中也展示出了巨大的优势和广阔的应用前景. 我们课题组[10]于2014年首次报道了活细胞内钯催化的炔丙基脱除反应, 并用于赖氨酸的侧链脱笼, 实现了活细胞内细菌效应蛋白OspF(磷酸丝氨酸裂解酶)的原位激活. 随后, 我们[42]利用钯催化剂开发了基于酪氨酸依赖的蛋白质功能原位调控方法; 设计合成了联烯保护的非天然酪氨酸, 并通过定向进化获得可以识别该非天然氨基酸的tRNA合成酶, 将目标蛋白质的关键酪氨酸替换为联烯保护的非天然酪氨酸, 实现蛋白的活性抑制; 再利用钯催化的生物正交剪切反应对目标蛋白质进行原位激活(图5a), 实现了Src激酶特异性磷酸化调控以及炭疽致死因子LF的活性调控.
图5 金属介导的生物正交剪切反应

Figure 5 Metal-mediated bioorthogonal cleavage reactions[42-43]

相对于在生物正交连接化学中大放异彩 CuAAC 反应, 对于过渡金属Cu介导的生物正交断键技术研究却未有报道. 因此, 我们[43]发展了“双取代炔丙基/铜试剂”这一新型生物正交剪切反应, 并结合非天然氨基酸定点插入技术实现了细胞膜表面受体-配体相互作用的原位调控(图5b). 值得一提的是, 由于炔丙基上具有取代基, 该反应可以非常方便地从“末端脱笼”拓展至“分子内剪切”. 因此, 我们设计并制备了基于氨基和酚羟基的可控释放型抗体偶联药物(Cleavable ADCs), 成功实现了对癌细胞的选择性杀伤. 同时, 该分子内剪切反应还被用于细胞表面的可逆修饰, 进一步突破了传统化学脱笼的瓶颈, 为生物大分子功能及活性调控提供了普适性工具.

3.2 光介导的剪切反应

在此之前, 以紫外光触发邻硝基苯脱除反应为代表的“光剪切”反应已被广泛用于生物分子的光控激活[44]. 而最近我国学者对光催化或辐射触发的剪切反应进行了研究, 开发了新型生物正交剪切化学. 例如, 陈以昀课题组[45]以荧光素作为介质, 通过光化学反应将细胞内的分子氧转化为瞬时的过氧化氢分子, 成功地实现了硼酸频哪醇酯的脱笼激活(图6a), 并进一步将这个生物正交反应应用于细菌以及包括神经细胞在内的哺乳动物细胞中.
图6 光介导的生物正交剪切反应

Figure 6 Photo-mediated bioorthogonal cleavage reactions[45-46]

此外, 刘志博课题组[46]开发了一种核辐射驱动的生物正交剪切反应. 他们通过设计二羟基苄基碳酸酯作为化学保护基团, 能够与外界辐射产生的羟基自由基作用发生反应进而通过1,4或1,6消除高效选择性地脱除, 从而释放目标分子, 实现肿瘤细胞以及活体组织内荧光分子的释放(图6b). 该方法具有高时空分辨率以及高组织穿透能力, 有望实现外源辐射放疗驱动的化疗药物精确释放, 进而对癌症治疗带来新的曙光.

3.3 化学小分子介导的剪切反应

化学小分子具有构效灵活可调、易于深入组织的特点, 因此其介导的生物正交剪切反应具有极大的优势. 在前期的研究中, 我们[47]利用四嗪介导的反式环辛烯的逆电子需求狄尔斯-阿尔德反应(IEDDA), 实现了活细胞中多种蛋白质的特异性化学激活, 并随后在小鼠上实现了利用四嗪小分子原位调控癌细胞中激酶活性的应用.
为了实现蛋白质的快速激活, 我们[48]随后对四嗪的构效关系进行了系统研究, 并在此基础上进行合理设计, 提出非对称四嗪的构想. 在这类四嗪的结构中, 一侧的拉电子基团用于加速四嗪和反式环辛烯的第一步加成反应, 而另外一侧引入的小烷基侧链用于维持第二步加成产物的裂解, 从而提高整体脱除效率. 实验结果证明这类非对称四嗪对荧光小分子和蛋白质的激活速率远远高于其对称类似物(图7a).
图7 化学小分子介导的生物正交剪切反应

Figure 7 Small molecule-mediated bioorthogonal cleavage reactions[48⇓-50,52]

除了可被四嗪脱除之外, 反式环辛烯(TCO)也可用于脱除对叠氮苄基保护基团. 该反应起始于反式环辛烯与叠氮基团发生1,3-偶极环加成, 加成产物会自发发生一系列分子内电子重排并生成亚胺, 随后水解释放氨基引发1,6-消除从而导致脱保护反应的发生. 我们[49]为此设计了对叠氮苄基碳酸酯保护的赖氨酸(PABK), 并成功开发了反式环辛烯触发的蛋白质激活新方法, 实现了细胞内萤火虫荧光素酶以及细菌效应蛋白OspF的激活(图7b).
最近, 刘志博课题组[50]发现了三氟化硼-硅烷(silyl ether)这一生物正交反应对, 即带有三氟化硼基团的硼氨酸(Phe-BF3)能够使酚羟基上的硅烷基团发生选择性脱除. 在该研究中, 他们通过硅烷连接臂将目标蛋白偶联到纳米粒子上, 并将其引入到肿瘤组织, 随后向体系中加入具有肿瘤靶向功能的苯丙硼氨酸探针, 并利用上述生物正交反应, 实现肿瘤组织中蛋白质的原位释放(图7c). 他们与邵峰课题组合作, 将这一生物正交剪切反应对应用于Gasdermin蛋白的激活, 并对肿瘤组织中的细胞焦亡过程进行了原位调控. 通过对肿瘤免疫微环境的有效调节, 进而激活T细胞介导的抗肿瘤免疫反应, 该方法为肿瘤免疫治疗药物的开发提供了新的技术手段.
悉尼酮与双环-[6.1.0]-壬炔(BCN)之间发生的1,3偶极环加成反应往往被应用于蛋白质的生物正交标记 中[51], 研究者们关于这一生物正交反应的关注点大多集中于反应的偶联部分, 对其反应过程中释放的化学小分子(一般为CO2)的研究却较为匮乏. 2018年, 梁勇课题组[52]通过采用磺酰胺修饰的悉尼酮衍生物与环炔反应, 可以在实现蛋白质偶联标记的同时释放具有临床疗效的磺酰胺活性分子(图7d). 这一结果也提醒研究者们: 对于已知的生物正交反应, 除了反应的主产物, 随之生成的“副产物”也同样值得关注, 如果能够对其善加调控, 可以达到事半功倍的效果.

4 总结与展望

生物正交反应为生命进程的研究带来了革命性的技术, 同时也为医学研究、临床诊断、新药研发等方面提供了开创性方法, 已成为化学生物学的核心领域之 一[13-14,53]. 自21世纪初被正式提出以来, 生物正交反应的内涵和外延不断得到拓展: 前者表现在生物正交剪切反应的出现成为偶联反应的重要补充; 后者则表现在其应用场景在从活细胞表面到活细胞内部、多细胞体系、高等生物的不断升级中. 我国的科研工作者在这方面也开展了一系列原创的研究工作, 做出了重要的贡献.
在生物正交反应面临创新拓展与应用升级的关键阶段, 现有反应在效率、速率、底物稳定性、易得性、生物兼容性、相互正交性以及操作便捷性等方面或多或少还存在着各种各样的问题, 还远远无法满足生命科学、医学、药学研究的需求. 同时可以预见, 按照外延升级的发展趋势, 用于活体动物甚至高等动物的生物正交反应的需求将越来越迫切. 而在解决这类问题的同时, 开发新型反应、拓展创新应用将是未来发展的重要方向, 包括但不限于: 发展或优化更为高效、相互正交的生物正交反应, 开发用于活体动物的生物正交反应, 以及充分利用生物正交反应的优势解决生命科学、医药领域的重要科学问题等.
(1)开发新型高效、相互正交的生物正交反应: “生物正交化学工具箱”的完善和升级. 深入研究现有生物正交反应, 在反应性、稳定性等方面进行系统优化是化学工具箱升级的可行方法. 同时, 研究开发新型生物正交反应, 尤其是起步较晚的剪切反应, 是完善化学工具箱的重要途径. 此外, 发展相互正交的化学工具将为生物正交反应的广泛应用打开新天地.
(2)开发活体动物的生物正交反应: “遥控化学反应工具”的开发与应用. 在目前生物正交化学的应用场景面临升级的关键时期, 用于活体动物的生物正交反应的需求必然会越来越大, 对反应的标准和要求也会随之提高. 此外, 如何实现活体动物中生物正交反应的体外干预是目前面临的重要问题, 适用于活体动物的“遥控化学反应工具”的开发将是解决这类问题的重要途经.
(3)生物正交反应的应用拓展: 利用生物正交反应解决生命科学、医药领域的重要问题. 生物正交反应是应用于生命科学及相关领域研究的化学工具. 因此发挥反应优势拓展应用范围是生物正交反应的另外一个重要发展方向. 例如, 充分利用生物正交反应在分子水平对生命机制进行深入系统研究, 在医学或临床诊疗中利用生物正交反应实现从小分子前药到蛋白质前药、从放化疗到免疫治疗的跨越、新型靶向药物的开发、生物活性分子的原位合成、“原位疫苗”等新型免疫治疗方法的应用等, 都将具有广阔的前景.
(Cheng, B.)

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
Sletten, E.M.; Bertozzi, C.R. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48,6974.
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