反式环辛烯-四嗪反应研究及其在蛋白质定点标记和激活中的应用

Bioorthogonal chemistry has attracted an explosion of interests due to the great impact on studies of the complex biological processes as well as on therapeutic applications. Reaction between trans-cylooctene and tetrazine has been the most ideal bioorthogonal ligation reaction so far due to its excellent kinetics and biocompatibility. However, this reaction has emerged as a bioorthogonal decaging reaction in prodrug and protein activation recently. The potential conflict between ligation and decaging from the same reaction promoted us to systematically study the reaction and comprehensively understand the structure-activity relationship of tetrazine. Consequently, the structures of terazines used for ligation and decaging will be rationally designed and optimized respectively. After confirming their high efficiency in ligation reaction and decaging reaction, these newly designed tetrazines will be used for protein labeling and activation in living cells. Finally, by coupling the protein labeling and activation, a strategy for studying feedback regulation in cell signal transduction will be developed.

近年来，生物正交反应因其在研究复杂生命过程以及临床诊断成像等方面的巨大应用前景而备受关注。其中反式环辛烯-四嗪反应由于极佳的反应动力学和生物兼容性而成为目前最理想的生物正交偶联反应。然而最近的研究发现该反应也能成为生物正交脱除反应。这两种相反的反应类型同时存在必然会严重干扰各自的反应效率。我们初步的实验结果证明四嗪的结构对反应的类型有较大影响。因此，本项目计划先从化学角度系统深入地研究反式环辛烯-四嗪反应中四嗪的构效关系。在此基础之上，我们将分别对用于偶联和脱除的四嗪分子的结构进行优化，并在小分子、纯蛋白以及活细胞等多个层面实验评测这些新的四嗪分子的性能。据此筛选出来的高效率的四嗪分子将分别被用于活细胞内目标蛋白的特异标记和激活。最后，利用该反应一种反应两种类型这个特殊的性质，我们将联用蛋白标记和蛋白激活开发用于细胞通路中反馈调节的研究方法。

该项目的研究内容主要是面向生物应用的化学反应开发，因此项目成果主要分为化学反应的发展和化学工具在生物中的应用两方面。第一方面，就化学反应发展而言，由于绝大多数生物活性分子都含有氮原子，而希夫碱作为制备含氮化合物的重要底物就成为我们研究的重点化合物，因此我们主要针对希夫碱开展了一系列化学反应的研究。借助可见光催化途径，我们成功实现了希夫碱的极性反转，将传统的亲电性质的希夫碱转化成具有极强亲核活性的中间体，从而将希夫碱的反应范围从亲电试剂扩展到亲核试剂，大大扩展了其反应类型，使得含氮类生物活性分子的制备更为方便快捷。例如，实现了以重水为底物的胺类化合物的高效氘代，实现了氨基醇类化合物的高效制备，为吲哚啉类荧光分子的制备提供了多样性底物，实现了太阳光驱动的以二氧化碳为底物的氨基酸的简便合成等。第二方面，就化学工具在生物中的应用而言，我们发展了用于活细胞的铜介导的生物正交剪切反应，实现了可控释放型抗体偶联药物（Cleavable ADCs）用于对癌细胞的选择性杀伤，用于对细胞表面蛋白的可逆修饰，实现了细胞表面受体与配体相互作用的精准调控等。此外，就四嗪反式环辛烯反应，我们系统总结目前该反应的发展与应用的进展，为该反应进一步的深入研究奠定了基础。