分享一篇发表在Nature Chemical Biology上的文章：Post-translational insertion of boron in proteins to probe and modulate function，通讯作者是牛津大学的Benjamin Davis教授，他们课题组的主要研究方向是糖化学和蛋白化学修饰。这篇文章中他们通过在蛋白上引入硼酸来用于对蛋白的功能研究和调控。
硼是一种不存在于天然蛋白上的元素，由于三价硼具有独特的6电子结构，因此常被作为lewis酸与多种lewis碱反应，并形成八隅体结构。考虑到硼元素独特的性质，如果能够将其引入到蛋白上，将有望给蛋白带来全新的、无法由天然氨基酸残基实现的独特化学反应活性。此前报道的非天然氨基酸插入手段由于硼酸对蛋白翻译的抑制作用往往效率较低，因此本文作者希望开发一种全新的化学插入手段，通过直接形成C-B键的方式来在蛋白上引入硼酸。根据此前的报道，脱氢丙氨酸(Dha)可在Cu(II)催化下与B2(OH)4反应生成硼丙氨酸(Bal)，通过在多肽以及蛋白模型上对反应的催化剂等条件进行摸索，他们发现CuSO4/4-甲基吡啶体系能够在多肽和蛋白上以>90%的转化率将Dha转化为Bal，并且该反应可普遍适用于不同大小、折叠方式和生物功能的蛋白上。
由于硼酸独特的与邻近亲核基团形成lewis酸碱对的能力，作者考察了化学方法引入的硼酸是否与周围的亲核性残基形成了lewis酸碱对，并且这种可逆的配对是否能够反映蛋白不同位置上的环境差异。通过对修饰后的蛋白进行质谱分析他们发现，蛋白上确实不同程度地出现了-18/-36 Da的质量丢失，对应着被一个/两个lewis碱配位进而丢失一个/两个水分子，且出现质量丢失的程度与蛋白的结构紧凑程度呈正相关，说明硼酸的插入的确能够与周围残基进行lewis酸碱配对。
除了与蛋白自身残基进行配对外，硼酸的插入还使得蛋白有可能发生分子间的化学反应，进而实现生物学功能。利用硼酸与二羟基化合物的反应能力，他们证实了组蛋白H3上引入的硼酸能够有效与一种加入的二羟基化合物反应；将插入硼酸后的荧光蛋白mCherry与细胞孵育，mCherry能够通过硼酸与细胞表面聚糖上的羟基反应进而被固定到细胞表面，说明硼酸的插入为蛋白带来了新的化学反应能力。
硼酸的另一个反应潜力是与α-亲核试剂发生1,2-迁移反应，典型的例子是有机硼在过氧化氢作用下生成醇，因此作者猜测蛋白上引入的硼酸可以作为潜在的ROS检测基团。为了验证这种猜想，他们用引入了硼酸的不同蛋白与过氧化氢反应，发现不仅能够检测到Bal向Ser的转化，同时随着蛋白上硼酸暴露程度的提高，发生氧化反应的比例也随之上升，说明硼酸的引入可能能够反映蛋白与ROS相互作用程度的大小。
考虑到硼酸在蛋白内部形成的的可逆lewis酸碱对具有潜在的提高蛋白稳定性的作用，作者通过测试发现在不破坏蛋白原有折叠的情况下，硼酸的插入确实提高了蛋白的热稳定性。此外，作者也发现硼酸的引入能够提高蛋白底物对酶切的耐受能力，推测是硼酸能够与丝氨酸酶的活性Ser发生相互作用进而抑制其酶活。最后，作者将蛋白上插入的硼酸用于辅助蛋白结构的解析上。由于硼酸与蛋白上邻近残基间的动态可逆lewis酸碱配对能力，使它能够作为一种潜在的顺磁弛豫增强(PRE)探针，进而结合核磁共振帮助解析蛋白的瞬态结构。通过对核小体进行研究，他们发现组蛋白H3的尾部存在一个瞬态的α螺旋堆叠结构，当组蛋白被磷酸化后，两个α螺旋分开，且人为引入的Bal对该过程没有影响。
总之，这篇文章通过开发在蛋白上引入硼酸的化学手段，实现了对蛋白的功能和稳定性的调控，并能够帮助蛋白结构解析。
本文作者：LDY
责任编辑：LYP
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-021-00883-7
原文引用：DOI：10.1038/s41589-021-00883-7
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