徐华栋/陈弓JACS：基于三唑环“分子捕鼠夹”设计的胺选择性生物偶联

导读

生物分子的选择性修饰对推动现代生物医学发展至关重要。尽管在靶向高反应性但低丰度的巯基方面已取得显著进展，但针对其他天然官能团，尤其是广泛存在的氨基，开发高效、特异的修饰策略仍是一项迫切需求。因此，发展一种在反应效率与精准度上可媲美硫醇化学，并能与之严格正交的氨基标记新方法，将极大拓展生物分子的标记范围。近日，常州大学徐华栋教授与南开大学陈弓教授团队合作，开发了一类新型吡啶并三唑甲醛（PTAC）试剂。该试剂可在温和、生物相容的条件下，实现对小分子及复杂生物分子中伯烷基胺的高效、选择性且近乎无副反应的标记。PTAC的独特之处在于其“捕鼠夹”式（“snap-trapping”）的快速选择性捕获机制：其“诱饵”醛基首先与胺反应生成亚胺中间体，随后触发由互变异构介导的三唑环摆动，从而不可逆地捕获胺底物，并仅释放水作为唯一副产物。吡啶环与三唑结构的融合弱化了N-N键的稳定性，使其更易被胺选择性激活，同时确保了优异的稳定性及硫醇正交性。该策略兼具高反应活性、优异化学选择性及良好官能团耐受性，在胺特异性生物偶联中达到了硫醇级别的性能水平，为现有硫醇修饰方法提供了重要的替代和补充方案。

1,2,3-三唑作为叠氮-炔烃点击化学的核心骨架，已在分子偶联中被广泛确立为一种稳定且通用的连接子。然而，在此广泛应用背后，其自身所固有的开环-关环互变异构反应性却长期未被充分探索。尽管该过程传统上受限于苛刻的反应条件和有限的合成应用价值，但近年研究表明，通过对三唑衍生物进行合理修饰，能够在温和条件下有效利用这一反应性。其中，将三唑与吡啶环融合已被证实能显著增强其环-链互变异构倾向。受此启发，作者推测吡啶并三唑甲醛（PTAC）或许能通过一种“中断的L'abbé重排”机制，在温和条件下实现与伯胺的高选择性反应。

如图2所示，作者发现吡啶并三唑甲醛能够与各种烷基伯胺和芳胺反应，生成相应的吡啶基三唑，反应条件温和、产率高、体系干净，且能兼容各种官能团。同时，该反应对各种溶剂和添加剂具有显著的耐受性。比如在56度的白酒中，模板底物苄胺（4）与PTAC 1反应6 h，也可以高收率和非常干净的反应体系得到目标产物（4-1）。此外，该策略还能方便地改造含有伯胺的药物分子，在药物化学领域具有非常好的应用前景。

作者随后考察了该反应的多肽底物适用性。首先选取含赖氨酸（Lys）的模板三肽（26），与1.5 equiv的PTAC 1、2.0 equiv的DIPEA在DMSO中反应，2 h内即可定量转化获得目标产物（26-1）。反应后过量的PTAC 1可通过键合甘氨酸的酰胺树脂在室温下处理2 h并过滤，即可实现高效清除并获得高纯度的反应产物（LC trace 2）。如图3所示，该方法对不同氨基酸组成及链长的复杂多肽均表现出优异的适用性。值得注意的是，包括半胱氨酸（Cys）在内的所有蛋白源氨基酸均可兼容，并可与多种取代的PTAC衍生物实现高效、高选择性偶联。如环肽药物阿托西班（34）与PTAC 17反应可实现定量转化。二十三肽 Neuromedin U (rat)（38）与炔基化PTAC 39亦可定量转化为炔基标记产物（38-39）。此外，该策略还可通过一锅两步法，高效、便捷地对复杂肽上的Lys和Cys残基进行双位点标记。如GP(33–41)（45）与PTAC 17反应2 h后，随后加入马来酰亚胺-PEG2-生物素（46），即可以90%的LC收率得到双标记产物（47）。

如图4所示，在优化条件下，该策略可广泛应用于蛋白质、抗体及DNA等生物大分子的伯胺修饰。例如，含10个Lys残基的核糖核酸酶A（49）与生物素化PTAC 37反应后，成功实现了1至7个赖氨酸位点的标记（49-37n）。同样，该方法也适用于曲妥珠单抗（52）的炔基化标记（52-39n）。对于常用于DNA编码化合物库合成的DNA headpiece（53），也可与带有荧光基团的PTAC 51反应，以90%的转化率得到偶联产物（53-51）。

这一成果最近发表在J. Am. Chem. Soc.上，常州大学徐华栋教授和南开大学陈弓教授为通讯作者，初鑫博士和博士生钟惠敏、硕士生金鹏和魏成成为该工作的顺利进行做出了重要贡献。https://doi.org/10.1021/jacs.5c15886

徐华栋教授简介：

徐华栋，常州大学药学院教授。2007年于伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）取得博士学位，2007年至2009年在美国威斯康辛大学麦迪逊分校药学院博士后工作，2010-2012年华东师范大学副研究员，2012年5月起就职于常州大学。

陈弓教授简介：

陈弓，南开大学化学学院教授。国家杰出青年基金获得者，科技部领军人才，英国皇家化学会会士（FRSC），

Organic Letters

We turned a triazole ring into a snap-trapping device to capture amino groups for bioconjugation. It is super reactive and selective. Thiols are spared. Fruitful collaboration with Huadong Xu at Changzhou University.

We turned a triazole ring into a molecular mousetrap—snapping up amino groups for bioconjugation!
Super reactive, highly selective, and thiol-tolerant.
Great teamwork with Huadong Xu (Changzhou University)!