基于3-溴-5-亚甲基吡咯酮的蛋白质化学修饰新方法

Cysteine specific chemical modification is a popular approach for the preparation of functionalized protein. Recently, our group developed 5-methylene pyrrolones (5MPs) as a new type of reagent for such a purpose. Compared to maleimide, the most popular reagent for cysteine specific protein modification, 5MPs exhibit improved stability, cysteine specificity and product homogeneity. In addition, 5MP can be released from modified proteins in traceless and controllable manner, which make this method an ideal choice for reversible protein modification (JACS, 2017, 139, 6146). In the present project, we intend to develop 3-Bromo-5-methylene pyrrolones (Br-5MPs) as a new type of cysteine specific protein modification reagents. Br-5MPs may have the advantages of both of 5MPs and maleimides, such as easy to synthesis, high stability, high cysteine specificity, high chemical reactivity and giving highly stable conjugated product. Moreover, Br-5MPs could be used for bi-functional modification of a single cysteine and for disulfide bridging. Hence, Br-5MPs may have potential application in the preparation of therapeutic antibody-drug conjugates and stapled peptides.

半胱氨酸的化学选择性修饰，是制备功能化修饰蛋白质和多肽的重要手段。最近，本课题组发现5-亚甲基吡咯酮（5MP），相比于应用最为广泛的半胱氨酸特异性化学修饰分子-马来酰亚胺，具有更好的稳定性、化学选择性和修饰产物的均一性。5MP修饰产物可以实现无痕、可控的脱除，是蛋白和多肽可逆标记的理想选择（JACS，2017,139,6146）。在此基础上，本项目拟开发3-溴-5-亚甲基吡咯酮（Br-5MP）作为一类新型的半胱氨酸特异性蛋白质修饰分子。该类分子除了兼具5MP易于合成、稳定、化学选择性高和马来酰亚胺化学活性高、修饰产物稳定的优点，还可能实现对单个半胱氨酸的双功能修饰和二硫键桥连修饰，有望在抗体偶联药物和订书肽药物的制备等领域得到应用。

半胱氨酸的化学选择性修饰，是合成功能化修饰的蛋白质和多肽的重要手段，在蛋白质药物和抗体偶联药物的制备等领域得到了广泛的应用。马来酰亚胺是目前应用最为广泛的半胱氨酸特异性蛋白质修饰分子，但是该类分子具有稳定性不高、半胱氨酸专一性差、与半胱氨酸的加成反应可逆等缺点。开发半胱氨酸特异性更高、稳定性更好的蛋白质化学修饰分子，应用于蛋白和多肽类药物的制备，是一个具有重要理论价值和应用前景的研究领域。在本项目研究中，我们设计合成了3-溴-5-亚甲基吡咯酮(3Br-5MP)作为一类新型的半胱氨酸特异性蛋白质修饰分子。该类分子具有易于制备、稳定性好、反应活性高、半胱氨酸特异性高等优点。半胱氨酸巯基与3Br-5MP通过加成-消除反应，得到的共轭产物还能够与另一分子巯基反应，生成双修饰产物或二硫键桥连修饰产物。通过对反应物当量和反应条件的精确控制，3Br-5MP能够实现对蛋白质半胱氨酸残基的单、双功能修饰和二硫键插入修饰。我们展示了3Br-5MP在通过二硫键插入修饰制备抗体偶联药物方面具有应用前景。总之，通过该项目研究，我们开发了一类比马来酰亚胺性能更为优异的半胱氨酸化学选择性修饰分子-3Br-5MP。该研究一方面为制备功能化修饰的蛋白质提供了一种高效的手段；另一方面说明通过结构优化开发性能更为优越的蛋白质化学修饰分子仍不失为一种具有前景的策略。