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摘要

该协议介绍了通过半胱氨酸和蛋氨酸之间的双烷基化以及由炔丙基锍中心触发的简单硫醇 - 炔反应 合成 环肽。

摘要

近年来，环肽因其优异的生物活性而在药物发现领域受到越来越多的关注，因此，它们现在被临床使用。因此，寻求合成环肽的有效策略以促进其在药物发现领域的应用至关重要。本文报告了使用树脂上或分子内（分子间）联烷基化高效合成环肽的详细方案。使用该协议，利用固相肽合成，半胱氨酸（Cys）和蛋氨酸（Met）同时偶联在树脂上，从而合成线性肽。此外，使用可调系绳和系绳上的锍中心通过Met和Cys之间的联烷基化合成环肽。整个合成路线可分为三个主要过程:Cys在树脂上的脱保护，接头的偶联以及Cys与Met在三氟乙酸（TFA）裂解溶液中的环化。此外，受锍中心反应性的启发，炔丙基连接到Met上以触发硫醇-炔基加成并形成环肽。之后，将粗肽干燥并溶解在乙腈中，分离，然后通过高效液相色谱（HPLC）纯化。采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）确认了环肽的分子量，并利用HPLC进一步确认了环肽与还原剂组合的稳定性。此外，通过1 H核磁共振（1H NMR）波谱分析了环肽中的化学位移。总体而言，该协议旨在建立合成环肽的有效策略。

引言

蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）1在药物研发中起着关键作用。通过化学方法构建具有固定构象的稳定肽是开发PPIs模拟基序的最重要方法之一2。迄今为止，已经开发了几种靶向PPI的环肽用于临床3。大多数肽被限制在α螺旋构象中，以降低构象熵并改善代谢稳定性、靶标结合亲和力和细胞通透性4，5。在过去的20年中，Cys6，7，赖氨酸8，9，色氨酸10，精氨酸11和Met 12，13的侧链已入到非天然氨基酸中，以将肽固定成环状构象。这种环肽可以靶向独特的化学空间或特殊位点，从而触发共价反应以形成蛋白质-肽共价结合14，15，16，17。在Yu等人最近的一份报告中，氯乙酰胺被锚定在肽配体结构域上，确保具有出色蛋白质特异性的共价偶联反应18。此外，Walensky等人将丙烯酰胺和芳基磺酰氟（ArSO2F）等亲电弹头进一步掺入肽中19，形成稳定的肽共价抑制剂，提高肽抑制剂的抗肿瘤作用。因此，引入额外的官能团以共价修饰蛋白质-肽配体20是非常重要的。这些基团不仅与侧链上的蛋白质反应，而且还稳定肽21的二级结构。然而，由于复杂的合成路线和化学基团22，23的非特异性结合，由肽配体诱导的共价修饰蛋白的应用受到限制。因此，迫切需要合成环肽的有效策略。

受环肽2，24，25，26的多种策略的启发，该协议试图开发一种简单有效的稳定肽的方法。此外，我们注意到稳定肽的侧链基团在空间上接近肽配体时可以与目标蛋白共价反应。2013年，戴明小组通过开发一种生产选择性修饰肽蛋氨酸27的新方法，填补了化学修饰Met的缺乏。基于这一背景，Shi等人重点研究了侧链闭环形成锍盐中心的发展。当肽配体与靶蛋白结合时，锍盐基团与空间接近的Cys蛋白共价反应。近年来，Shi等人设计了一种稳定环肽28的新方法。环肽上的锍盐被具有巯基的还原剂还原，该还原剂可逆地还原为Met。然而，该反应效率低，对后续的生物学应用研究有害。在目前的研究中，设计了Met-Cys和丙炔基溴-Cys闭环反应，在环肽的侧链上保留单个锍盐。锍盐充当了一种新的弹头，在空间接近下与蛋白质Cys共价反应。简而言之，Cys和Met突变的肽通过分子内烷基化环化，导致系绳上锍中心的产生。在这个过程中，侧链桥的形成对环肽至关重要。总体而言，该协议描述了使用简单的反应条件和操作实现的详细基于锍的肽环化。目的是为进一步广泛的生物学应用开发一种潜在的方法。

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研究方案

1. 设备准备

注意:吗啉、N，N-二甲基甲酰胺 （DMF）、二氯甲烷 （DCM）、N，N-二异丙基乙胺 （DIPEA）、TFA、吗啉、哌啶、乙醚和甲醇有毒、易挥发和腐蚀性。这些试剂会通过吸入、摄入或皮肤接触对人体造成伤害。对于所有化学实验，请使用防护设备，包括一次性手套、实验外套和防护眼镜。

  1. 通过标准手动Fmoc固相肽合成（SPPS）29在Rink-酰胺4-甲基二苯甲胺（MBHA）树脂上构建所有肽底物，如图 1所示。
  2. 使用两种选择中的任何一种来构建线性肽:一种，利用缩合剂2-（7-氮杂苯并三唑-1-基）-N，N，N'，N'-四甲基六氟磷酸脲（HATU）和DIPEA试剂合成肽;或二，利用1-羟基苯并三唑（HOBT）和N，N'-二异丙基碳二亚胺（DIC）作为酰胺缩合试剂合成。根据肽的序列选择合适的肽合成方案。
  3. 要建立手动肽合成装置，请在通风橱中设置改进的真空固相萃取设备，并用三通旋塞阀连接。接下来，在连接到氮气（N2）气体的同时，将聚丙烯滤芯或玻璃反应器放在设备上。
    注意:要修改真空固相萃取设备，请拆下萃取管并保持真空密封系统。
  4. 将MBHA树脂装入树脂填充的色谱柱中，并将其溶解在DMF中。调整三通旋塞阀的开关以进行N2 鼓泡，然后使用连接到真空系统的工作泵去除色谱柱中的溶剂。使用以下公式计算所需的氨基酸或缩合剂的量:
    氨基酸 （g） 和缩合剂 （g） = 树脂垢 （g） × 树脂负载量 （mM/g） ×当量 （5 eq） ×分子量 （g/M）
    注意:根据偶联肽的长度选择负载树脂的量。氨基酸的多个当量（eq）用于更充分地反应。液体溶剂需要按密度转换为体积。5 eq 表示计算化合物的输入量放大了 5 倍。

2. 树脂制备

注意:根据偶联肽的长度选择负载树脂的量。

  1. 称取 302 mg Rink-amide MBHA 树脂（0.331 mM/g 上样）到色谱柱（20 mL 储液槽）中。向色谱柱中加入 5-10 mL DCM 或 DMF，使树脂在 N2 鼓泡下膨胀 30 分钟。
  2. 接下来，关闭N2 开关，然后打开真空泵吸入开关以除去溶剂。然后，依次用DCM（5-10 mL）和DMF（5-10 mL）洗涤树脂5次。

3. N端Fmoc脱保护

注意:吗啉脱保护需要30分钟，哌啶脱保护需要5分钟。

  1. 制备N-末端9-芴基甲基氧羰基（Fmoc）脱保护溶液:在玻璃容器中制备足够体积（500mL）的20%（v / v）哌啶或50%（v / v）吗啉在DMF中用于Fmoc基团脱保护。
  2. 向色谱柱中加入10 mL脱保护溶液，将N2 气泡到溶液中30分钟或5分钟2x，然后重复脱保护程序2x。
  3. 通过真空泵排出溶液，并依次用DCM（5-10 mL）和DMF（5-10 mL）洗涤树脂5倍。
  4. 每次脱保护后，通过5%茚三酮（Kaiser测试）检测树脂是否为深黄色溶液，以确认偶联步骤前不存在Fmoc基团。详细地，将 1 mL DMF 加入少量树脂中，并将 200 μL 5% 茚三酮加入在 130 °C 下加热 3 分钟的玻璃管中以评估树脂颜色的变化。
  5. 通过真空泵排出溶液，并依次用DCM（5-10 mL）和DMF（5-10 mL）洗涤树脂5倍。

4. 偶联线性肽（图2）

注意:当合成肽序列包含两个或多个重复单元时，可以通过选择氨基酸类型直接进行偶联过程，例如Fmoc-AA-OH或Fmoc-AAA-OH等。需要一些具有空间位阻的特殊氨基酸和具有较长氨基酸序列的肽，以适当延长偶联的反应时间。

  1. 对于单个偶联步骤，以Cys残基的偶联为例（合成300mg树脂规模）。在聚丙烯管中制备含有苄氧羰基-Cys（Trt）-OH（5 当量，292 毫克）和 HATU（5 当量，206 毫克）或苔氧羰基-Cys（Trt）-OH（5 当量，292 毫克）和 HOBT（5 当量，106 毫克）的混合物溶液，并将其溶解在 3 mL DMF 中。
  2. 向 Cys 溶液中加入 173 μL DIPEA（10 当量）或 154 μL DIC（10 当量）以激活氨基酸。让混合物预先激活1分钟。将混合物加入带有树脂的色谱柱中，并用N2 鼓泡2小时。
    注意:检测5%茚三酮所需的特定反应时间应标准化。
  3. 偶联后，将 1 mL DMF 加入少量树脂中，并将 200 μL 5% 茚三酮加入在 130 °C 下加热 3 分钟的玻璃管中。观察树脂变为无色，以确认在脱保护步骤之前没有游离氨基。
  4. 使用真空泵排干溶液，并依次用DCM（5-10 mL）和DMF（5-10 mL）洗涤树脂5次。
  5. 向色谱柱中加入10 mL脱保护溶液，用N2 气泡30分钟或5分钟2x，加入新鲜溶液，重复脱保护程序2x。
  6. 重复以下步骤:解除对 Fmoc 组的保护;检测树脂脱保护;清洗树脂;偶联氨基酸;检测偶联反应。重复偶联步骤，直到合成所有肽。
    注意:使用Kaiser测试来监测脱保护的每个步骤是否完成，或者氨基酸偶联的每个步骤是否彻底。或者，可以从树脂中裂解少量肽，并通过LC-MS检查是否成功偶联。

5. Met和Cys之间的双烷基化（图3）

  1. 通过重复步骤4.1-4.6构建具有Met和Cys的线性肽。将10 mL无水甲醇加入带有树脂的色谱柱中脱水，并用N2 干燥，以便在线性肽偶联后下次使用（重复2x）。
  2. 称取上一步获得的100 mg树脂到色谱柱（20 mL储液槽）中，并在偶联步骤前用DCM（5-10 mL）和DMF（5-10 mL）洗涤树脂。
  3. 准备用于删除 Cys trt（三苯甲基）保护组的解决方案。在玻璃容器中准备足够体积 （100 mL） 的 TFA/TIS/DCM （3:5:92） 混合物，以去除保护基团。
  4. 向色谱柱中加入5-10 mL的TFA/TIS/DCM（3:5:92）溶液以除去保护组10分钟。用N2 冒泡重复六次，直到黄色完全消失。
  5. 通过真空泵排出溶液，并依次用DCM（5-10 mL）和DMF（5-10 mL）洗涤树脂5倍。
  6. 准备与去保护的Cys反应的溶液。准备足够体积 （50 mL） 的混合物溶液 （DMF），包括二卤连接剂 （2 eq） 和 DIPEA （4 eq），用于与去保护的 Cys 反应。
  7. 向色谱柱中加入5-10mL的反应溶液，与脱保护的Cys反应至少3小时，N2 鼓泡。用无水甲醇脱水，用N2 干燥以备下次使用。
  8. 通过真空泵排出溶液，并依次用DCM（5-10 mL）和DMF（5-10 mL）洗涤树脂5倍。
  9. 制备用于肽环化的溶液:在通风橱的玻璃容器中制备足够体积（20mL）的TFA混合物（TFA:TIS:H2O = 95:2.5:2.5）用于肽环化。
  10. 将5-10mL的TFA混合物溶液加入聚丙烯管中，并在TFA混合物下切割树脂3小时。
    注意:TFA具有高度腐蚀性和刺激性;肽裂解过程应在通风橱中进行。
  11. 执行步骤7.1-7.5，通过反相液相纯化（HPLC）获得线性肽溶液。冷冻干燥溶液以备下次使用。

6.丙炔基锍盐环合（图4）

  1. 通过重复步骤4.1-4.6构建具有Met和Cys的线性肽。向含有树脂的色谱柱中加入10 mL无水甲醇进行脱水，并用N2 干燥，以便在线性肽偶联后下次使用（重复两次）。
  2. 称取上一步获得的100 mg树脂到色谱柱（20 mL储液槽）中，并在偶联步骤前用DCM（5-10 mL）和DMF（5-10 mL）洗涤树脂。
  3. 执行步骤7.1-7.5，通过HPLC获得线性肽溶液，并如上所述冷冻干燥样品以备下次使用。
  4. 制备 1% HCOOH 水溶液（体积）和 1.0 mM 炔丙基溴（5 当量），并加入 Met 肽溶液（0.2 mM，1 当量;0.2 mL MeCN/H2O [1:1，v/v]）。
  5. 接下来，在室温下摇动Met和炔丙基溴的偶联反应12小时。
  6. 反应后，将产物溶解在乙腈中的聚丙烯管中，并通过0.22μm滤膜过滤。然后，立即通过反相HPLC纯化溶液并将其冷冻干燥成粉末以备下次使用。
  7. 在最后一步中，将含有丙炔基溴的肽加入聚丙烯管中，通过加入（NH4）2CO3溶液将反应溶液pH保持在8.0，并在37°C下摇动反应混合物12小时。该步骤得到炔丙基锍盐的环肽。
  8. 收集最后的反应混合物:将其溶解在乙腈中的聚丙烯管中，并通过0.22μm滤膜过滤。然后，立即通过反相HPLC纯化溶液并将其冷冻干燥成粉末以备下次使用。

7. 环肽的纯化

  1. 通过重复步骤4.1-4.6在Rink-amide MBHA树脂上构建线性肽底物。向带有树脂的色谱柱中加入10 mL无水甲醇进行脱水，并用N2 干燥，以便在线性肽偶联后下次使用（重复两次）。
  2. 在通风橱中准备足够体积的鸡尾酒（TFA/H 2 O/TIS，v/v/v，95:2.5:2.5）。向聚丙烯管中加入1-5mL的TFA混合物溶液，并在TFA混合物下切割树脂3小时。
  3. 接下来，在色谱柱中N2 的蒸汽下依次干燥树脂。或者，使用过滤装置过滤树脂并收集肽溶液。然后，向肽溶液中加入20mL乙醚以沉淀肽，以3，500×g离心5分钟，并重复两次。收集粗肽沉淀物并将其在N2 流下干燥以进行下一步。
  4. 将 200 mg 粗肽溶解在聚丙烯管中 4 mL 乙腈水溶液中，并通过 0.22 μm 过滤器过滤。将肽转移到HPLC小瓶插入物中。将插入物放入配备C18 5 μm、4.6 mm x 250 mm色谱柱和1 mL进样环的半制备型反相HPLC系统的自动进样器中。
  5. 使用5%-95%乙腈在水中以0.1%TFA的梯度程序在30分钟内纯化和分离肽，同时使用254nm的UV监测HPLC光谱。通过LC-MS确认肽分子量，收集肽溶液，冷冻干燥成粉末以备下次使用。

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结果

所有线性肽均在Rink-amide MBHA树脂上通过标准手工Fmoc固相合成合成。如图5A所述构建环状六肽（Ac（环I）-wmaaac-nh2）模型。值得注意的是，通过Met烷基化产生了一个新的系绳手性中心，反相HPLC确认了环肽的两种差向异构体（Ia，Ib）。此外，使用反相HPLC的积分测定差向异构体的转化率和比例。由六肽Ac-WMAAAC-NH2产生的环AC-（环I）-WMAAAC-NH2肽1-Ia和1-Ib表现?...

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讨论

本文描述的合成方法提供了一种在肽序列中使用Cys和Met合成环肽的方法，其中基本线性肽通过常见的固相肽合成技术构建。对于Cys和Met之间环肽的双烷基化，整个合成路线可分为三个主要过程:Cys在树脂上的脱保护，接头的偶联以及Cys和Met在三氟乙酸裂解溶液中的环化。值得注意的是，Cys保护基团的去除被发现是随后闭环反应的关键步骤。因此，trt-Cys被去保护，直到溶液没有明显的黄色。进一步?...

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披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

感谢国家重点研发计划（2021YFC2103900）的资金支持;中国自然科学基金（21778009和21977010）;广东省自然科学基金（2022A1515010996、2020A1515010521）:深圳市科技创新委员会（RCJC20200714114433053、JCYJ201805081522131455、JCYJ20200109140406047）;以及深港脑科学研究所-深圳基本科研机构资助（2019SHIBS0004）。作者感谢 化学科学， 皇家化学学会的期刊支持参考文献30和美国化学学会有机 化学杂志参考文献31。

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材料

NameCompanyCatalog NumberComments
1,3-bis(bromomethyl)-benzenEnergyD0215
1,3-Dimethylbarbituric acidEnergyA46873
1H NMR and HSQCBruker AVANCE-III 400
1-Hydroxybenzotriazole hydrateEnergyE020543
2-(7-azabenzotriazol-1-yl)-N,N,N',N'-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HATU)EnergyA1797
2-mercaptopyridineEnergyY31130
6-Aminocaproic acidEnergyA010678
Acetic anhydrideEnergyA01021454
AcetonitrileAldrich9758
Ammonium carbonateEnergy12980
Dichloromethane (DCM)EnergyW330229
Digital Heating Cooling Drybath Thermo Scientific88880029
Diisopropylethylamine (DIPEA)EnergyW320014
Dimethyl formamide (DMF)EnergyB020051
DithiothreitolEnergyA10027
Electrospray Ionization MassSHIMADZU2020 LC-MS2020
Fmoc-Ala-OHNanjing Peptide Biotech LtdR30101
Fmoc-Arg(Pbf)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR30201
Fmoc-Cys(Trt)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR30501
Fmoc-Gln(Trt)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR30601
Fmoc-Glu(OtBu)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR30701
Fmoc-His(Boc)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR30902
Fmoc-Ile-OHNanjing Peptide Biotech LtdR31001
Fmoc-Lys(Boc)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR31201
Fmoc-Met-OHNanjing Peptide Biotech LtdR31301
Fmoc-Pro-OHNanjing Peptide Biotech LtdR31501
Fmoc-Ser(tBu)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR31601
Fmoc-Thr(tBu)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR31701
Fmoc-Trp(Boc)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR31801
Fmoc-Tyr(tBu)-OHNanjing Peptide Biotech LtdR31901
Fmoc-Val-OHNanjing Peptide Biotech LtdR32001
Formic acidEnergyW810042
High Performance Liquid
Chromatography		SHIMADZULC-2030
MethanolAldrich9758
MorpholineAldrichM109062
N,N'-DiisopropylcarbodiimideEnergyB010023
Ninhydrin ReagentEnergyN7285
Propargyl bromideEnergyW320293
Rink Amide MBHA resinNanjing Peptide Biotech Ltd.
Solid Phase Extraction (SPE) Sample Collection Plates Thermo Scientific60300-403
Tetrakis(triphenylphosphine) palladiumEnergyT1350
Three-way stopcocksBio-Rad7328107
TriethylamineEnergyB010737
Trifluoroacetic acid (TFA)J&K101398
Triisopropylsilane (TIS)EnergyT1533

参考文献

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