ACS Chem. Biol. | 硫酰氟基团的反应性分析及其在配体蛋白质组学中的应用

英文原题：Profiling Sulfur(VI) Fluorides as Reactive Functionalities for Chemical Biology Tools and Expansion of the Ligandable Proteome

通讯作者：Glenn A. Burley 思克莱德大学, Jacob T. Bush 葛兰素史克公司

供稿人：郭玮明 北京大学

大家好，今天为大家介绍一篇ACS Chem. Biol.的文章，题目是“Profiling Sulfur(VI) Fluorides as Reactive Functionalities for Chemical Biology Tools and Expansion of the Ligandable Proteome”，通讯作者是思克莱德大学的Glenn A. Burley以及葛兰素史克公司的Jacob T. Bush。在这篇文章中，作者比较了具有不同取代基的硫酰氟（SVI-Fs）化学探针的稳定性和反应性能，借助此类探针共价修饰了部分蛋白质，例如CAII。并且作者合成了一系列基于硫酰氟的激酶探针并把它们应用于活细胞的化学蛋白质组学，鉴定到了一些新颖的蛋白质靶标。

共价化学探针是一类非常重要的化学生物学研究工具，非常适合用来研究配体-蛋白质以及蛋白质-蛋白质的相互作用，并且具有增强靶向药物与靶标蛋白质结合能力的实际应用。尽管氨基酸特异的共价化学探针往往具有较高的修饰率，但它只能和某种特定的氨基酸反应。光交联化学探针能够和多种氨基酸进行反应，但是修饰效率往往偏低。基于硫氟交换反应的硫酰氟化学探针兼具广泛的蛋白质反应性和高修饰率的优点，它具有较高的反应产率，并且能够修饰酪氨酸、赖氨酸、组氨酸等多种氨基酸，因此它成为了一种具有广泛应用前景的共价修饰基团（图1）。

图1.常见的共价化学探针及其应用

作者设计了多种具有不同取代基的硫酰氟探针，其中包括一系列吸电子取代基和给电子取代基，并测试了它们的在水溶液中的稳定性以及反应活性（图2）。吸电子基团能力越强，其水溶液半衰期越短。结合计算化学的数据，作者发现它在水溶液中的稳定性和LUMO能级的能量密切相关。氨基酸层面的反应活性测试实验表明，探针的反应能力和其水解能力也具有相关性，水溶液半衰期越短的探针反应活性越高。

图2.不同取代基的硫酰氟探针的活性与水溶液稳定性排序

随后，作者将硫酰氟探针应用于靶标蛋白质的共价修饰上。将硫酰氟反应基团融合到某些蛋白的结合分子上，便可以将非共价结合转化为共价结合（图3）。以碳酸酐酶II（CAII）为例，作者在先前筛到的结合分子上修饰了硫酰氟基团，实现了小分子与CAII的共价结合。活性最高和最低的两种探针分别具有最高和最低的修饰率。而其他探针的修饰率和它们在氨基酸层面测定的反应速率存在一定差异，这说明在实际应用中，探针的反应效果不完全拘泥于先前测定的反应活性数据。

图3. 硫酰氟探针用于蛋白质共价修饰示意图

作者还进行了结合力相关参数的测定（表1）。共价修饰的分子具有极强的结合能力，其可逆结合的平衡常数上甚至低于许多方法的检测限，达到亚微摩级别。

表1. 结合力相关参数的测定

最后，作者将硫酰氟探针应用到化学蛋白质组的检测当中。作者改造了一种先前被报道的激酶结合探针XO44，合成了一系列同系物，用于进行激酶的共价修饰和富集（图4）。从细胞裂解液的标记实验来看，活性高的探针标记往往效果较好。而在活细胞中的实验表明，不同探针会鉴定到不同的蛋白质。虽然，不同探针鉴定到的激酶与非激酶蛋白质的数量似乎和探针活性和稳定性存在一定的联系，例如活性低的探针鉴定到的激酶数量较少。但是总体来看，活性以及稳定性数据与探针鉴定到的蛋白质数量的多少没有明确的相关性。这一系列探针一共鉴定到了94种激酶，其中51种激酶由多于三种探针鉴定到，33种激酶仅有一种探针鉴定到（图5）。除了激酶以外，作者依然鉴定到了许多非激酶蛋白质，其中大部分被归类为Tbio和Tdark，它们没有已知的结合分子，或许硫酰氟探针能够提供可能与它们的结合小分子（图5），但是这类相互作用需要进一步验证。

图4.激酶结合探针结构

图5.硫酰氟激酶探针的化学蛋白质组学

总而言之，硫酰氟化学探针是一类非常有应用价值的探针，它能够实现广泛且高效的共价交联，无论是在基础研究还是在医药应用方面均具有较大的应用价值。作者详细地研究了带有不同取代基的硫酰氟化学探针的反应活性和水溶液稳定性。借助硫氟交换反应，作者实现了CAII酶的共价结合。最后的活细胞化学蛋白质组学实验也表明，硫酰氟探针在鉴定小分子结合蛋白质上一样能够发挥作用。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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