蛋白質的定點修飾是通過化學反應對蛋白質特定位點進行修飾，從而達到對蛋白質改性或對其進行標記等一系列目的。蛋白質的定點修飾對反應條件嚴格：反應需要在水相溶液中進行，同時蛋白質其它側鏈基團不參與反應。近日，上海交通大學王平特別研究員課題組與中國科學院昆明動物研究所鄭永唐研究員課題組合作，發展了一種由仿生的鄰醌介導對蛋白N-端進行選擇性修飾的方法，並成功將其運用於蛋白質標記和抗HIV藥物研發等領域。
蛋白質的N-端-α胺基相較於賴氨酸的ε胺基有較低的pKa，因而更具有親核性，是蛋白質定點修飾的理想位點。在自然界中，銅胺氧化酶催化酪氨酸的側鏈酚基被氧化成鄰醌，鄰醌可將體系內的一級胺氧化成醛，酮基。受此啟發，作者發展了蛋白質仿生轉氨化的方法。作者通過篩選多種鄰醌類化合物與範本肽進行反應，發現鄰醌試劑在pH 6.5的緩衝水溶液中具有最高的活性，能在2小時內將N-端為甘氨酸的範本肽8轉換為醛，隨後與乙氧基胺作用產生更穩定的肟產物9，兩步總轉換率達到91%，而範本肽中的賴氨酸ε胺基在該反應條件下產生的副反應低於1%。該氧化條件適用於N-端為精氨酸、亮氨酸，賴氨酸，甲硫氨酸、谷氨酸，天門冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、色氨酸和天門冬醯胺等多肽的修飾，均能以高產率獲得修飾多肽。
隨後，該方法被應用於蛋白質目標物泛素及肌紅蛋白的修飾，均能以70%以上的轉化率得到目標肟產物及生物素標記的肌紅蛋白修飾產物。由於反應條件對蛋白序列中游離的半胱氨酸巰基並不耐受，作者進而發展了光敏保護基策略，即先將蛋白質中游離的半胱氨酸與小分子2-硝基胡椒苄溴反應而被選擇性保護，隨後進行轉胺化反應，最後通過光解脫除保護基，即得到目標修飾蛋白質。整個反應過程中不需額外分離手段，只需通過簡單萃取去除小分子反應物即可，從而最大限度地維持了蛋白質的三級結構。作者將該策略成功應用於含游離半胱氨酸的SUMO2和RNF4蛋白質的轉胺化。
蛋白質趨化因數CCL4是HIV輔助受體CCR5的配體。作者利用該策略對CCL4的N-端進行轉胺化修飾，快速得到了一系列修飾蛋白質29-45。抗HIV-1活性體外實驗表明，帶修飾蛋白質30和31的抗HIV-1活性相較於表達的CCL4活性有顯著提高。該實驗表明，通過蛋白質化學合成與定點修飾聯用可以在短時間內得到大量不同修飾的蛋白質，這在很大程度上為抗HIV蛋白質類藥物的製備提供了科技手段。
該工作成果發表於權威期刊Nature Communications上（2021，12:2257，DOI: 10.1038/s41467-021-22654-7）。上海交通大學王平特別研究員和中科院昆明動物所鄭永唐研究員為該研究論文共同通訊作者，上海交通大學王嗣堯、周清清、陳小平和中科院昆明動物研究所羅榮華為共同第一作者。該研究工作獲國家自然科學基金委和中國科學院個性化藥物先導專項的資助。
圖.HIV輔助受體CCR5配體CCL4的N-端修飾及其抗HIV-1活性研究