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【Sci. Bull.】太原理工高文超/华东师大姜雪峰:“硫加成/迁移”多肽定向装订

2026-04-19 23:46:33

「一、全文概览」

多肽装订，可以大幅提升体内代谢稳定性、细胞跨膜通透性、PPI亲合性。烯基硫，是广泛存在于天然多肽及蛋白质的结构单元，对维持二级结构稳定性与生理活性发挥着关键作用。近日，太原理工大学高文超与华东师范大学姜雪峰合作，发展了一种基于烯基噻蒽鎓盐的半胱氨酸残基选择性烯基化的方法，高选择性构建稳定烯基硫结构单元，可实现多肽与蛋白质的精准修饰和装订，条件温和、快速高效且无金属参与，适用于多种类型多肽、蛋白质的偶联及荧光标记。五氟芳基单元的引入，还可实现多肽装订与环化。该反应遵循独特的反应路径：首先巯基β-加成，随后1,2-硫迁移，紧跟β-H消除，高效稳定获得烯基硫结构，相关成果发表于《Science Bulletin》（DOI: 10.1016/j.scib.2026.04.005）。

「二、背景介绍」

随着多肽与蛋白药物的快速发展，多肽化学选择性修饰与偶联技术在药物研发领域的重要性日益凸显。烯基硫，作为天然产物及核糖体肽（RiPPs）中的优势骨架，通常由半胱氨酸经氧化脱羧生成，可显著提升多肽分子在生理条件下的结构稳定性与生物功能，如阿霍烯、羊毛硫肽、灰绿霉素、及从各种微生物中提取的出肽类抗生素的结构（图1）。

图1. 烯基硫肽

目前，针对半胱氨酸巯基选择性修饰的策略主要包括芳基化、炔基化、烷基化、二硫化。基于Michael受体的烯基化反应，因强吸电子基团的存在，常常导致产物稳定性差、亲核逆反应断裂，且后续实现肽链装订仍需依赖过渡金属催化（图2）。因此，发展条件温和、无金属参与、生物相容性优异的稳定烯基硫键，在生物正交与药物发现领域具有重要价值。

图2. 基于Michael加成反应的烯基硫肽类修饰方法

噻蒽鎓盐，凭借独特的电子效应、空间效应及位点选择性，成为合成化学偶联的强大工具。尽管该类试剂在C(sp³)–S（图3a）与C(sp²)–S（图3b）偶联反应中已取得一定进展，但基于噻蒽策略的C(sp³)–S选择性烯基化未有发现。

图3. 噻蒽盐的偶联和应用

「三、本研究亮点」

本研究中作者建立了一种新颖策略：首先，半胱氨酸巯基对烯基噻蒽鎓盐发生共轭加成；随后，强吸电子性的噻蒽单元离去，迅速形成环状硫鎓中间体；紧跟β-H消除，获得稳定烯基硫键（图4）。

图4 噻蒽盐辅助的稳定烯基硫单元构建

1. 该法兼具快速高效和高选择性的核心优势，适配化学生物学生物正交需求：1）无金属催化体系，常温常压、空气氛围中进行，半胱氨酸位点修饰仅5分钟；2）所用烯基噻蒽鎓盐试剂，均可一步克级规模制备，稳定安全可以长期储存；3）化学选择性优异，仅与巯基作用，不与其他残基作用，不但适用于谷胱甘肽、四肽、五肽等多肽的专一修饰，还可实现双侧半胱氨酸同步修饰，适配二硫键还原后多肽双位点标记及蛋白质定点修饰的高精度需求（图5）；4）五氟噻蒽硫盐，由于分子内氢键的稳定作用，使得反应具有高度立体选择性（图5c）；5）所构建的烯基硫键结构，在宽pH范围、强亲核试剂环境下，高度稳定，大幅避免体内降解风险（图5d）；6）芳环骨架，可灵活引入取代基、氟原子及丹磺酰基等荧光基团，成功应用于α-突触核蛋白（K6C突变体）和牛血清白蛋白（BSA）的荧光标记（图5f），为蛋白质示踪与构效关系研究提供了高效可靠的正交工具。

图5. 多肽修饰的通用性

2. 一步多肽装钉与环化，进一步拓展了其在多肽药物研发中的应用价值。通过在烯基噻蒽鎓盐上引入五氟芳基单元（PFP），即可赋予该试剂兼具烯基化与亲核取代的双活性位点，通过一锅法高效完成双半胱氨酸多肽的环化装钉。该体系适配性广，全面兼容i/i+3、i/i+4、i/i+5、i/i+6、i/i+7等多种半胱氨酸间距排布，成功实现依替巴肽、催产素等多种活性多肽的高效环化（图6）。环化产物的精准结构，通过X射线单晶衍射得到进一步确证，反应位点间距为5.04 Å，与多肽药物常用环化装钉的空间构型高度匹配。此外，经环化装钉后的多肽，α-螺旋度显著提升，细胞摄取实验结果明确证实，环化产物的细胞通透性远优于线性前体（图7）。

图6. 多肽的环化装钉

图7. QN-16的装订环化及其圆二色谱（CD谱）

3. 通过系列对照实验与理论计算，完整揭示了该多肽烯基化反应的机理，证实 “巯基β-加成→1,2-硫迁移→β-H消除”的离子型迁移重排反应路径（图8）：1）体系中加入TEMPO和BHT两类典型自由基捕获剂，反应进程未受到任何抑制，排除自由基反应机理；2）氘代标记（H/D = 2.5 : 1），说明反应过程具有加成/消除双过程；3）动力学同位素效应（KIE=1.13），说明C-H键断裂并非反应决速步；4）DFT理论计算，表明β-加成途径的反应能垒比α-进攻途径低5.8 kcal/mol，热力学与动力学优势显著， 1,2-硫迁移步骤为整个过程的决速步。