给大家分享一篇最近发表在Journal of the American Chemical Society上的研究，题为：Site-Selective Functionalization of Methionine Residues via Photoredox Catalysis，文章的通讯作者是普林斯顿大学的David W. C. MacMillan教授。

图1. 本文所报道的甲硫氨酸的标记策略

近年来随着化学生物学的发展，蛋白质的选择性标记已经成为了一种重要的研究手段。传统的生物偶联策略主要利用蛋白质中具有亲核性的氨基酸残基（如赖氨酸与半胱氨酸）与亲电试剂发生共价偶联来进行标记。但由于生物体系的复杂性，人们愈发期望拓展能被标记的氨基酸残基以实现多样化的蛋白质选择性标记。在这其中甲硫氨酸受到了广泛关注，已经有多个课题组报道了基于甲硫氨酸的标记策略，在合成新型的蛋白质偶联物以及功能性分子上表现出了广阔的应用前景。作者所在课题组对光催化反应有着深入的研究，在本文中，他们设想利用光催化反应对甲硫氨酸进行选择性标记，以实现在温和条件下复杂生物大分子的选择性功能化。

图2. 催化剂的筛选条件以及可能的反应机理

作者设想通过激发态下的光催化剂对硫原子进行单电子氧化，随后通过脱除α-质子形成具有反应活性的α-自由基，该自由基能够与具有单电子反应活性的受体发生反应，从而实现在甲硫氨酸上进行选择性标记。他们以四肽VMFP为模型分子，在水溶液中对光催化剂进行筛选（图2a）。结果显示，光黄素（lumiflavin）能够以较高的产率催化甲硫氨酸与Michael受体进行偶联，同时几乎没有副产物的产生。他们对反应的机理进行了推测（图2b），激发态下的光黄素能够与硫醚发生单电子转移，被还原后的光黄素负离子自由基能够脱除硫自由基邻位甲基的质子，从而促进了α-自由基的形成。该碳自由基能够与Michael受体发生加成反应，其产物能够与氢化的催化剂发生氢原子转移（HAT），重新生成催化剂从而完成催化循环。理论上色氨酸，酪氨酸与组氨酸也能与激发后的光催化剂发生单电子转移反应，但是这些氨基酸的产物更倾向于与氢化后的催化剂10发生氢原子转移反应，从而重新生成原料。双硫键在该体系中不会发生加成反应，只有半胱氨酸的巯基在光催化下会发生副反应。

图3. 在蛋白上对Michael受体进行筛选

随后作者在模型蛋白Aprotinin上对Michael受体进行了筛选（图3），该蛋白上只有一个甲硫氨酸可供修饰。在对条件进行优化后，多种受体都能够以90%以上的产率与蛋白进行偶联，并且蛋白质侧链的羧基与胺基不会干扰反应。值得一提的是，部分Michael受体能对底物进行多重修饰。利用该方法，作者成功地向蛋白质中引入了多种功能性的官能团。他们也在不同的蛋白底物上实现了对甲硫氨酸的标记，在大多数情况下，甲硫氨酸的标记程度与其在溶剂中的暴露程度成正相关。

图4. 对绿色荧光蛋白进行定点修饰

    最后，作者在溶液中对绿色荧光蛋白实现了选择性修饰，向其中引入了炔基官能团，并成功地通过后续的点击化学反应定点修饰上生物素和聚精氨酸等功能性官能团。修饰前后蛋白质的荧光强度并没有明显的变化，意味着这种修饰方法对荧光蛋白的结构不会造成显著的影响。

总结来说，作者利用光催化剂成功地实现了蛋白上甲硫氨酸的选择性修饰，该方法特异性高、条件温和，进一步拓展了甲硫氨酸特异性修饰策略，若能够进一步在细胞内实现该反应，则将成为化学生物学有力的工具。

作者：Roy Wu  审校：ZHS

DOI: 10.1021/jacs.0c09926

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c09926