蛋白质化学合成新方法：丝氨酸/苏氨酸连接反应的发展与应用

蛋白质的化学合成作为当代合成化学与化学生物学的重要研究领域，一直受到学术界的关注。化学合成能够在蛋白质的任意位点引入具有特定修饰（如光交联反应基团和荧光团等）的天然或非天然氨基酸残基，尤其适用于合成在指定位点具有磷酸化、糖基化等特定类型翻译后修饰（Post-Translational Modifications）的蛋白质样品和探针分子，因而具有蛋白质生物合成无法替代的重要作用。发展高效的蛋白质合成新方法，特别是发展全新的多肽连接反应以实现多肽片段的有效组装是该领域的研究热点之一。

当代蛋白化学的合成主要依靠利用化学选择性的连接反应（chemical ligation）将由固相合成得到的短肽（20-30氨基酸）高效、特异性地连接成为长肽至蛋白。Kent等人于1994年报道的天然化学连接（Native Chemical Ligation，缩写为NCL）成为蛋白质化学合成的里程碑。NCL利用N端半胱氨酸残基和多肽C端硫酯或其衍生体进行特异性反应以实现多肽的选择性连接。随后的20多年，人们进一步发展了NCL反应，却一直没有实现利用其它N端非修饰氨基酸残基引发的多肽连接法。香港大学的李学臣教授（点击查看介绍）课题组另辟蹊径，发展了基于N端丝氨酸/苏氨酸残基的新型多肽连接反应（Serine/Threonine Ligation，缩写为STL）。该反应是目前除天然化学连接及其衍生形式外最为重要的基于N端非修饰氨基酸残基且于连接位点处形成天然肽键的多肽连接方法，在蛋白质、多肽药物及环肽天然产物的合成中得到了广泛应用。近期，李学臣教授团队应Accounts of Chemical Research 杂志邀请，对该反应的发展过程及相关研究成果进行了总结。

文章中，作者回顾了从O-to-N 酰基迁移反应的理论探讨到丝氨酸/苏氨酸连接反应的设计与实现的研究历程。该团队从对酰基迁移的研究出发，于2010年首次报道了多肽C端水杨醛酯与N端丝氨酸/苏氨酸残基新型连接反应的模型体系研究。在随后的几年中，该团队对反应机理和条件参数进行了深入探讨，并发展了分别与基于Boc和Fmoc保护的多肽固相合成相匹配的多肽水杨醛酯制备方法。

图1. 丝氨酸/丝氨酸连接反应及其机理

在此基础上，该团队将STL反应相继应用于Acylphosphatase、MUC1 glycopeptide (80mer)、糖基化Interleukin 25及磷酸化HMGA1a等蛋白质的合成。其中Interleukin 25由总计6个片段经STL与NCL组装而成，表现出两类重要连接反应之间良好的相容性。STL反应条件相对温和，一系列具有不同位点丝氨酸/苏氨酸磷酸化和精氨酸甲基化修饰的HMGA1a蛋白分子的合成得以顺利实现。

图2. 应用丝氨酸/苏氨酸连接反应合成蛋白质

丝氨酸/苏氨酸连接反应在环肽合成中同样表现优异，从高张力环四肽到环十肽均能够在较高浓度下由相应的链状前体经分子内的STL反应生成，同时有效避免寡聚反应的发生。该团队先后完成了环肽天然产物Daptomycin、Cyclomontanin B、Yunannin C及若干类似物的全合成，并开展了相关药物化学的研究，成功发现了若干相比天然产物具有更高活性的分子。作为环肽合成的特殊案例，该团队通过链状部分与环肽之间的STL反应，率先完成了重要环肽抗生素Teixobactin的全合成，进而制备了超过60个Teixobactin类似物，为构效关系的系统研究奠定了基础。

图3. 应用丝氨酸/苏氨酸连接反应合成环肽天然产物

该论文作者为：Han Liu, Xuechen Li

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Serine/Threonine Ligation: Origin, Mechanistic Aspects, and Applications

Acc. Chem. Res., 2018, 51, 1643, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00151

李学臣博士简介

李学臣，香港大学化学系教授；2006年于哈佛大学获得博士学位，2007-2009年于斯隆-凯特癌症研究中心师从Samuel Danishefsky从事博士后研究，2009年起供职于香港大学化学系，并于2018年晋升为教授。李学臣博士主要从事生物大分子（如蛋白质、多肽及多糖）的化学合成和化学生物学研究，具体内容包括蛋白质化学合成新方法研究（丝氨酸/苏氨酸连接反应）、具有重要生物活性的环肽天然产物及结构类似物的合成与药物化学研究、疾病相关多糖的全合成研究、化学选择性蛋白质修饰研究等。李学臣博士先后获得药明康德生命化学研究奖学者奖（2013）、中美化学化学生物学教授协会奖（2016）、Croucher Senior Research Fellowship（2017）及香港大学安全代表优秀奖（2018）等奖项。

http://www.x-mol.com/university/faculty/7051