光氧化还原催化实现蛋氨酸位点选择性生物偶联

今天跟大家分享一篇发表在JACS上的文章，文章题目是“Site-Selective Functionalization of Methionine Residues via Photoredox Catalysis”，本文的通讯作者是来自普林斯顿大学默克催化中心的David W. C. MacMillan教授，他们课题组的研究方向主要是有机催化、光氧化还原催化和金属的光氧化还原催化及其在天然产物全合成和药物方面的应用。这篇文章主要介绍了基于光氧化还原催化的蛋氨酸位点选择性修饰。

位点选择性蛋白质修饰是化学生物学领域的重要问题，尤其是小分子-蛋白偶联药物的出现促进了位点选择性和化学选择性偶联方法的发展，传统生物偶联的方法依赖于亲核氨基酸残基和亲电小分子之间的取代反应实现蛋白质上位点选择性修饰，该方法主要应用于亲核氨基酸如半胱氨酸和赖氨酸。但是赖氨酸丰度、半胱氨酸的二硫键等问题使位点选择性修饰仍存在很大的挑战，所以他们课题组试图通过利用氨基酸残基固有的还原电势差异来实现位点选择性修饰，此前他们课题组曾基于氧化电势的不同实现了C末端的位点选择性烷基化。本文中作者又将目光放在了疏水的弱亲核性氨基酸—蛋氨酸上，此前Chang，Toste 和Gaunt 课题组基于化学选择性硫醚氧化试剂将甲硫氨酸的硫醚进行转化和修饰，并在药学领域广泛应用，而MacMillan课题组则希望通过激发光催化剂实现硫的单电子氧化，随后通过α-去质子化生成以碳为中心的α-硫代自由基，之后与SOMOphilic（亲单占分子轨道）烷基化试剂反应。与其他方法中在硫原子上进行硫醚修饰不同，本文是通过偶联到硫原子相邻碳上以得到不可逆的稳定偶联物。

作者首先在四肽VMFP上进行了反应条件和光催化剂的筛选和优化，尝试了铱复合物、钌复合物、有机染料等都没有得到很好的效果，之后他们注意到了黄素家族，作者假设蛋氨酸通过SET（单电子转移）淬灭黄素三重态激发态后，所得还原的黄素自由基阴离子可以作为碱使邻近硫自由基阳离子的位置去质子化，从而生成α-硫自由基基团。实验发现光黄素确实可以有效催化目标偶联物的生成，转化率高达79%。之后他们对机理和反应特异性进行了推测和验证，发现酪氨酸、色氨酸和组氨酸虽然可以被光黄素激发电子转移-质子转移，但是不会发生SET而是发生HAT（氢原子转移），不会与Michael加成受体反应。该反应也有一个不可忽视的问题，半胱氨酸上游离的巯基会竞争性迅速与Michael受体反应。

接下来作者将该反应进行了底物拓展，以抑肽酶（仅含有一个蛋氨酸）为底物，分别将含有羧基、氨基、叠氮、炔基、脱硫生物素等基团的Michael受体与之偶联，都以较高收率得到烷基化产物，证明该反应与传统亲核性偶联相比可以引入不同的功能性基团。之后作者又在泛素、α-乳白蛋白和肌红蛋白等蛋白质上对该反应进行了应用和验证。