Azaphilone作为天然蛋白质Lysines无痕迹高效标记物的研究

Protein post-translational modification is the most important native chemical reactions aided by enzyme(s) under biological conditions. To learn and mimic the native biological transformations, chemical modification of proteins has now been becoming an important tool for probing natural systems and protein-protein interactions, creating therapeutic conjugates, and generating novel protein constructs as well. Based on our previous discovery of a mild efficient conjugation reaction between the unique azaphilone and various primary amines, including amino acids and amino-cyclopeptides, during our long-term study on the total synthesis of natural product chlorofusin, we wish to further develop azaphilones to be a new type of efficient traceless bioconjugation reagents for labeling the lysine(s) of native proteins after necessary structural modifications under this project. Also, it is planned to explore the potential of applying azaphilone-headed molecular tools for protein multi-labeling and protein immobilization after proper molecular design, organic synthesis and condition optimization.

蛋白质翻译后修饰是蛋白质功能多样化扩展的重要方式，多数是在酶催化下完成的化学反应。蛋白交联、修饰和标记则是科学家学习和模拟这些蛋白质天然化学转化，并用于研究蛋白结构和相互作用的常用技术。本项目拟借助我们在天然产物chlorofusin合成中发现的azaphilone和伯胺之间的温和高效交联反应，将结构独特的azaphilone化合物经过一定的修饰和结构变化，发展为温和、无痕迹、高效率的天然蛋白赖氨酸氨基的交联标记物和分子工具；以azaphilone为分子支架，设计、合成和发展若干蛋白质标记方法和蛋白质固载化方法。

本项目旨在设计开发了一系列以天然阿扎菲酮为独特核心结构和反应转化基础的、专一性修饰含有伯胺官能团的生物分子的工具，并探索了此类分子工具在蛋白质科学、药物研发及生物成像领域的个别应用。获得的重要科学发现包括：1）Azaphilone衍生物具有卓越的化学选择性，选择性与赖氨酸残基反应，而对其他具有亲核性的氨基酸残基呈化学惰性；与目前广泛使用的胺基修饰试剂NHS活化酯相比，azaphilone在水溶液中稳定性更高，与胺基化合物反应速率更快。2）温和的水溶液条件下实现了对多肽及蛋白质中赖氨酸残基的修饰，修饰后的蛋白具有荧光性质，可实现在凝胶中的自发光成像，使修饰蛋白的凝胶表征更加便捷。3）实现了修饰数量可控的抗体标记，修饰后的抗体具有较高的血清稳定性，并且保持与抗原结合的能力，为抗体偶联药物的设计合成提供了一种新的思路。4）通过细菌与哺乳动物细胞在磷脂结构及组成上的差异，实现了对革兰氏阳性菌的荧光成像，操作简单、高效，有助于细菌感染的早期诊断。本项目形成的相关成果包括：正式发表（学术期刊）研究论文7篇，其中关于阿扎菲酮分子探针设计和应用的主体研究结果在Angew. Chem. Int. Ed.上获得正式在线发表；合作撰写英文学术著作1部；申请中国发明专利1件。项目执行期间，受邀在各种学术会议进行邀请学术报告6次，大学和研究机构等场合的邀请交流报告多次。培养博士后研究人员1名，毕业博士生和硕士生各1名，相关课题的在读博士研究生4 名。