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要約

このプロトコルは、システインとメチオニンの間のビスアルキル化と、プロパルギルスルホニウム中心によって引き起こされる簡単なチオール-イン反応 を介した 環状ペプチドの合成を提示します。

要約

近年、環状ペプチドは、その優れた生物活性から創薬分野でますます注目され、臨床的に利用されるようになりました。したがって、環状ペプチドを合成するための効果的な戦略を模索し、創薬分野での応用を促進することが重要です。この論文は、オンレジンまたは分子内(分子間)ビスアルキル化を使用して環状ペプチドを効率的に合成するための詳細なプロトコルを報告します。このプロトコルを使用して、システイン(Cys)とメチオニン(Met)を同時に樹脂上に結合させた固相ペプチド合成を利用して、直鎖状ペプチドを合成しました。さらに、環状ペプチドは、チューナブルテザーとオンテザースルホニウム中心を用いたMetとCysの間のビスアルキル化を介して合成されました。合成経路全体は、樹脂上のCysの脱保護、リンカーのカップリング、およびトリフルオロ酢酸(TFA)切断溶液中でのCysとMetの間の環化の3つの主要なプロセスに分けることができます。さらに、スルホニウム中心の反応性に触発されて、プロパルギル基がMetに結合してチオールイン付加を引き起こし、環状ペプチドを形成しました。その後、粗ペプチドを乾燥し、アセトニトリルに溶解し、分離した後、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)で精製した。環状ペプチドの分子量は液体クロマトグラフィー質量分析(LC-MS)により確認し、環状ペプチドと還元剤との併用の安定性はHPLCを用いてさらに確認した。また、環状ペプチドのケミカルシフトを1H核磁気共鳴(1HNMR)スペクトルにより解析した。全体として、このプロトコルは、環状ペプチドを合成するための効果的な戦略を確立することを目的としていました。

概要

タンパク質間相互作用(PPI)1は、医薬品の研究開発において極めて重要な役割を果たします。化学的手段によって立体構造が固定された安定化ペプチドを構築することは、PPIの模倣モチーフを開発するための最も重要な方法の1つです2。現在までに、PPIを標的とするいくつかの環状ペプチドが臨床使用のために開発されています3。ほとんどのペプチドは、コンフォメーションエントロピーを低下させ、代謝安定性、標的結合親和性、および細胞透過性を改善するためにαらせんコンフォメーションに拘束されています4,5。過去20年間で、Cys 6,7、リジン8,9、トリプトファン10、アルギニン11、およびMet 12,13の側鎖が非天然アミノ酸に挿入され、ペプチドを環状立体配座に固定してきました。このような環状ペプチドは、固有の化学空間または特別な部位を標的とすることができ、それによって共有反応を誘発してタンパク質-ペプチド共有結合を形成する14、15、16、17。Yuらによる最近の報告では、クロロアセトアミドがペプチドリガンドのドメインに固定され、優れたタンパク質特異性を有する共有結合反応を保証した18。さらに、アクリルアミドやアリールスルホニルフルオリド(ArSO2F)などの求電子性弾頭は、Walenskyらによってさらにペプチドに組み込まれ、安定化ペプチド共有結合阻害剤を形成し、ペプチド阻害剤の抗腫瘍効果を改善しました。したがって、タンパク質−ペプチドリガンド20を共有結合的に修飾するために追加の官能基を導入することが非常に重要である。これらの基は、側鎖上のタンパク質と反応するだけでなく、ペプチド21の二次構造を安定化させる。しかしながら、ペプチドリガンドによって誘導される共有結合修飾タンパク質の適用は、複雑な合成経路および化学基の非特異的結合のために制限される22,23。したがって、環状ペプチドの合成のための効果的な戦略が緊急に必要とされている。

環状ペプチド2,24,25,26の多様な戦略に触発されたこのプロトコルは、ペプチドを安定化するための簡単で効率的な方法を開発しようとしています。さらに、安定ペプチドの側鎖基は、ペプチドリガンドに空間的に近い場合、標的タンパク質と共有結合的に反応する可能性があることに気づきました。化学修飾されたMetの欠如は、選択的に修飾されたペプチドメチオニン27を製造するための新しい方法を開発することにより、2013年にデミンググループによって埋められました。このような背景に基づき、Shiらは、スルホニウム塩中心を形成する側鎖の閉環の開発に着目した。ペプチドリガンドが標的タンパク質と結合すると、スルホニウム塩基は空間的に近いCysタンパク質と共有結合的に反応します。近年、Shiらは、環状ペプチド28を安定化するための新しい方法を設計した。環状ペプチド上のスルホニウム塩を、可逆的に還元されたスルフヒドリル基を有する還元剤によってMetに還元した。しかしながら、反応は効率が低く、それはその後の生物学的応用研究に有害であった。現在の研究では、環状ペプチドの側鎖に単一のスルホニウム塩が残っているMet-Cysおよび臭化プロパルギル-Cys閉環反応が設計されました。スルホニウム塩は、空間的近接下でタンパク質Cysと共有結合的に反応する新しい弾頭として機能しました。簡単に説明すると、CysおよびMet変異ペプチドを分子内アルキル化によって環化し、その結果、オンテザースルホニウム中心が生成された。このプロセスでは、側鎖架橋の形成が環状ペプチドにとって重要でした。全体として、このプロトコルは、単純な反応条件および操作を使用して達成される詳細なスルホニウムベースのペプチド環化を記載する。目的は、さらに幅広い生物学的応用のための潜在的な方法を開発することです。

プロトコル

1.機器の準備

注意: モルホリン、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、ジクロロメタン(DCM)、N,N-ジイソプロピルエチルアミン(DIPEA)、TFA、モルホリン、ピペリジン、ジエチルエーテル、およびメタノールは有毒で揮発性で腐食性があります。これらの試薬は、吸入、摂取、または皮膚接触によって人体に害を及ぼす可能性があります。すべての化学実験には、使い捨て手袋、実験用コート、保護眼鏡などの保護具を使用してください。

  1. 図1に示すように、標準的な手動Fmocベースの固相ペプチド合成(SPPS)29によって、リンクアミド4-メチルベンズヒドリルアミン(MBHA)樹脂上にすべてのペプチド基質を構築します。
  2. 直鎖状ペプチドを構築するための2つのオプションのいずれかを使用します:1つは、縮合剤2-(7-アザベンゾトリアゾール-1-イル)-N,N,N',N'-テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート(HATU)およびDIPEAの試薬を利用してペプチドを合成します。または2つ、アミド縮合試薬として1-ヒドロキシベンゾトリアゾール(HOBT)およびN,N'-ジイソプロピルカルボジイミド(DIC)を利用して合成します。ペプチドの配列に応じて、ペプチド合成に適したプロトコルを選択してください。
  3. 手動ペプチド合成装置を確立するには、ヒュームフードに改造真空固相抽出装置を設置し、三方活栓で接続します。次に、ポリプロピレン製フィルターカートリッジまたはガラスリアクターを窒素(N2)ガスに接続したまま装置上に置きます。
    注意: 真空固相抽出装置を変更するには、抽出チューブを取り外し、真空密閉システムを維持します。
  4. MBHA樹脂を樹脂充填カラムにロードし、DMFに溶解します。N2 バブリングのために三方活栓のスイッチを調整し、次に真空システムに接続された作動ポンプを使用してカラム内の溶媒を除去する。次の式を使用して、必要なアミノ酸または縮合剤の量を計算します。
    アミノ酸(g)と縮合剤(g)=樹脂スケール(g) ×樹脂負荷容量(mM/g)×当量(5当量)×分子量(g/M)
    注:カップリングペプチドの長さに応じて、ロードされる樹脂の量を選択してください。アミノ酸の複数当量(当量)は、より完全に反応するために使用されます。液体溶媒は、密度によって体積に変換する必要があります。5当量は、計算された化合物の入力量が5倍に増幅されることを示す。

2. 樹脂製剤

注:カップリングペプチドの長さに応じて、ロードされる樹脂の量を選択してください。

  1. 302 mgのリンクアミドMBHA樹脂(0.331 mM/g負荷)をカラム(20 mLリザーバー)に計量します。5〜10 mLのDCMまたはDMFをカラムに加え、N2 バブリング下で30分間樹脂を膨潤させます。
  2. 次に、N2 スイッチを閉じ、真空ポンプ吸引スイッチをオンにして溶剤を除去します。その後、DCM(5-10 mL)およびDMF(5-10 mL)で樹脂を5回順次洗浄します。

3. N末端Fmoc脱保護

注:モルホリンによる脱保護には30分かかり、ピペリジンによる脱保護には5分かかります。

  1. N末端9-フルオレニルメチルオキシカルボニル(Fmoc)脱保護溶液を調製する:Fmoc基脱保護用のガラス容器にDMF中の20%(v/v)ピペリジンまたは50%(v/v)モルホリンを十分な容量(500 mL)で調製します。
  2. 10 mLの脱保護溶液をカラムに加え、N2 を溶液に30分または5分間2xバブリングし、脱保護手順を2x繰り返します。
  3. 溶液を真空ポンプで排出し、DCM(5-10 mL)とDMF(5-10 mL)で樹脂を5回順次洗浄します。
  4. 脱保護のたびに5%ニンヒドリン(カイザー試験)により樹脂を暗黄色溶液として検出し、カップリング工程前にFmoc基の不在を確認した。詳細には、少量の樹脂にDMF1 mLを加え、130°Cで3分間加熱したガラス管に5%ニンヒドリン200 μLを加えて樹脂色の変化を評価します。
  5. 溶液を真空ポンプで排出し、DCM(5-10 mL)とDMF(5-10 mL)で樹脂を5回順次洗浄します。

4. 直鎖状ペプチドの結合(図2)

注:合成ペプチド配列に2つ以上の繰り返し単位が含まれている場合、カップリング手順は、Fmoc-AA-OHやFmoc-AAA-OHなどのアミノ酸タイプを選択することによって直接実行できます。立体障害を有するいくつかの特殊なアミノ酸およびより長いアミノ酸配列を有するペプチドは、カップリングのための反応時間を適切に延長するために必要とされる。

  1. 単一のカップリングステップでは、例としてCys残基のカップリングを取り上げます(300 mgの樹脂スケールを合成します)。ポリプロピレンチューブにFmoc-Cys(Trt)-OH(5当量、292 mg)およびHATU(5当量、206 mg)またはFmoc-Cys(Trt)-OH(5当量、292 mg)およびHOBT(5当量、106 mg)を含む混合溶液を調製し、3 mLのDMFに溶解します。
  2. 173 μLのDIPEA(10当量)または154 μLのDIC(10当量)をCysの溶液に加え、アミノ酸を活性化します。混合物を1分間予熱させます。混合物を樹脂と共にカラムに加え、N 2で2 時間泡立てる。
    注:必要な特定の反応時間は、5%ニンヒドリンを検出するために標準化する必要があります。
  3. カップリング後、少量の樹脂にDMF1 mLを加え、130°Cで3分間加熱したガラス管に5%ニンヒドリン200 μLを加えます。樹脂が無色に変化するのを観察し、脱保護工程の前に遊離アミノ基がないことを確認します。
  4. 真空ポンプを使用して溶液を排出し、DCM(5-10 mL)およびDMF(5-10 mL)で樹脂を5回順次洗浄します。
  5. 10 mLの脱保護溶液をカラムに加え、N 2で30分または5分間2回バブリングし、新しい溶液を加えて、脱保護手順を2 回繰り返します。
  6. 次の手順を繰り返します:Fmocグループの脱保護。樹脂脱保護の検出;樹脂を洗う。アミノ酸を結合する。カップリング反応を検出する。すべてのペプチドが合成されるまでカップリングステップを繰り返します。
    注:カイザーテストを使用して、脱保護のすべてのステップが完了しているかどうか、またはアミノ酸カップリングの各ステップが完全であるかどうかを監視します。あるいは、少量のペプチドを樹脂から切断し、カップリングが成功したかどうかをLC-MSで確認することもできます。

5. MetとCysの間のビスアルキル化(図3)

  1. ステップ4.1〜4.6を繰り返して、MetとCysで線状ペプチドを構築します。脱水用の樹脂を含むカラムに無水メタノール10 mLを加え、直鎖状ペプチドカップリング後に次の使用のためにN2 で乾燥します(2回繰り返します)。
  2. 前のステップで得られた樹脂100 mgをカラム(20 mLリザーバー)に計量し、カップリングステップの前にDCM(5-10 mL)とDMF(5-10 mL)で樹脂を洗浄します。
  3. Cys trt(トリチル)保護基を除去するための溶液を調製する。保護基を除去するために、ガラス容器に十分な容量(100 mL)のTFA/TIS/DCM(3:5:92)混合物を調製します。
  4. TFA/TIS/DCM(3:5:92)の溶液5〜10 mLをカラムに加え、保護基を10分間除去します。黄色が完全に消えるまでN2 バブリングしながら6回繰り返します。
  5. 溶液を真空ポンプで排出し、DCM(5-10 mL)とDMF(5-10 mL)で樹脂を5回順次洗浄します。
  6. 脱保護されたCysと反応するための溶液を調製する。脱保護されたCysと反応するためのジハロゲン化リンカー(2当量)およびDIPEA(4当量)を含む十分な容量(50 mL)の混合溶液(DMF)を調製します。
  7. 5〜10mLの反応溶液をカラムに加え、N2 バブリングで少なくとも3時間脱保護されたCysと反応させる。無水メタノールで脱水し、次の使用のためにN2 で乾燥させる。
  8. 溶液を真空ポンプで排出し、DCM(5-10 mL)とDMF(5-10 mL)で樹脂を5回順次洗浄します。
  9. ペプチド環化のための溶液を調製する:ペプチド環化のためにヒュームフード内のガラス容器に十分な容量(20 mL)のTFA混合物(TFA:TIS:H 2 O = 95:2.5:2.5)を調製する。
  10. 5〜10 mLのTFA混合溶液をポリプロピレンチューブに加え、TFAカクテルの下で樹脂を3時間切断します。
    注意: TFAは非常に腐食性で刺激性があります。ペプチド切断プロセスは、ヒュームフード内で行う必要があります。
  11. ステップ7.1〜7.5を実行して、逆相液相精製(HPLC)により直鎖状ペプチド溶液を得る。次の使用のために溶液を凍結乾燥します。

6. プロパルギルスルホニウム塩環化反応(図4)

  1. ステップ4.1〜4.6を繰り返して、MetとCysで線状ペプチドを構築します。脱水用の樹脂を入れたカラムに無水メタノール10 mLを加え、直鎖状ペプチドカップリング後に次の使用のためにN2 で乾燥します(2回繰り返します)。
  2. 前のステップで得られた樹脂100 mgをカラム(20 mLリザーバー)に計量し、カップリングステップの前にDCM(5-10 mL)とDMF(5-10 mL)で樹脂を洗浄します。
  3. ステップ7.1〜7.5を実行してHPLCで直鎖状ペプチド溶液を取得し、前述のようにサンプルを凍結乾燥して次の使用にします。
  4. 1%HCOOH水溶液(容量中)および1.0 mM臭化プロパルギル(5当量)を調製し、Metペプチド溶液(0.2 mM、1当量、0.2 mLのMeCN/H2O [1:1、v/v])に加えます。
  5. 次に、Metと臭化プロパルギルのカップリング反応を室温で12時間振とうする。
  6. 反応後、生成物をアセトニトリル中のポリプロピレンチューブに溶解し、0.22μmフィルターメンブレンでろ過します。その後、直ちに逆相HPLCで溶液を精製し、次の使用のために粉末に凍結乾燥します。
  7. 最後の工程では、臭化プロパルギルを含むペプチドをポリプロピレンチューブに加え、(NH4)2CO3溶液を加えて反応溶液pHを8.0に維持し、反応混合物を37°Cで12時間振とうする。この工程により、プロパルギルスルホニウム塩の環状ペプチドを得る。
  8. 最後の反応混合物を集める:アセトニトリル中のポリプロピレンチューブに溶解し、0.22μmのフィルターメンブレンを通して濾過する。その後、直ちに逆相HPLCで溶液を精製し、次の使用のために粉末に凍結乾燥します。

7. 環状ペプチドの精製

  1. ステップ4.1〜4.6を繰り返して、リンクアミドMBHA樹脂上に線状ペプチド基質を構築します。脱水用の樹脂を含むカラムに無水メタノール10 mLを加え、直鎖状ペプチドカップリング後に次の使用のためにN2 で乾燥します(2回繰り返します)。
  2. 十分な量の劈開カクテル(TFA / H 2 O / TIS、v / v / v、95:2.5:2.5)をヒュームフードに準備します。1〜5 mLのTFA混合溶液をポリプロピレンチューブに加え、TFAカクテルの下で樹脂を3時間切断します。
  3. 次に、カラム内のN2 の蒸気下で樹脂を順次乾燥させる。あるいは、フィルター装置を使用して樹脂をろ過し、ペプチド溶液を回収します。次に、ペプチド溶液にエーテル20 mLを加えてペプチドを沈殿させ、3,500 x gで5分間遠心分離し、2回繰り返します。粗ペプチド沈殿物を収集し、次のステップのためにN2 の流れ下で乾燥させます。
  4. ポリプロピレンチューブ内の粗ペプチド200 mgをアセトニトリル水溶液4 mLに溶解し、0.22 μmフィルターでろ過します。ペプチドをHPLCバイアルインサートに移します。C18 5 μm、4.6 mm x 250 mmカラム、および1 mLインジェクションループを備えたセミ分取逆相HPLCシステムのオートサンプラーにインサートを挿入します。
  5. 254 nmのUVを使用してHPLCスペクトルをモニタリングしながら、0.1%TFAを含む水中の5%-95%アセトニトリルのグラジエントプログラムを使用して30分間にわたってペプチドを精製および分離します。LC-MSでペプチド分子量を確認し、ペプチドの溶液を回収し、次の使用のために粉末に凍結乾燥します。

結果

すべての直鎖ペプチドは、標準的な手動Fmoc固相合成によってリンクアミドMBHA樹脂上で合成されました。モデル環状ヘキサペプチド(Ac(シクロI)−WMAAAC−NH2)を図5Aに記載されるように構築した。特に、Metアルキル化によって新しいオンテザーキラル中心が生成され、環状ペプチドの2つのエピマー(Ia、Ib)が逆相HPLCによって確認されました。また、エピマーの転化率?...

ディスカッション

本論文で説明する合成アプローチは、ペプチド配列中のCysおよびMetを用いて環状ペプチドを合成する方法を提供し、基本的な直鎖状ペプチドは一般的な固相ペプチド合成技術によって構築される。CysとMetの間の環状ペプチドのビスアルキル化の場合、合成経路全体は、樹脂上のCysの脱保護、リンカーのカップリング、およびトリフルオロ酢酸切断溶液中でのCysとMetの間の環化の3つの主要なプ...

開示事項

著者は開示するものは何もありません。

謝辞

我々は、中国の国家主要研究開発プログラム(2021YFC2103900)からの財政的支援を認める。中国自然科学財団の助成金(21778009、および21977010)。広東省自然科学財団(2022A1515010996および2020A1515010521):深セン科学技術イノベーション委員会(RCJC20200714114433053、JCYJ201805081522131455、およびJCYJ20200109140406047);深セン-香港脳科学研究所-深セン基礎研究機関助成金(2019SHIBS0004)。著者らは 、参考文献 30についてはThe Royal Society of ChemistryのChemical Science、参考文献31についてはThe Journal of Organic Chemistry、American Chemical Societyからのジャーナルサポートを認めています。

資料

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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