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科研动态Nature Comms复杂环肽合成中环柄异构体ansamer的发生


发布日期:2022-11-09 14:54:38 作者: 来源:

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  池塘和锦鲤:这张插图形象的描述了环柄异构体 ansamer 的命名法则:站在桥上向池塘望去,会看到锦鲤首选方向是按顺时针方向游动,命名为Pansa,相反,如果想象站在池塘平面下方桥的倒影上,会看到锦鲤逆时针游动,命名为Mansa 除此之外,还必须考虑到 ansamers 不一定表现为镜像,也适用于其他类型的异构体现象。

正文:

  鹅膏毒素(amatoxin)和鬼笔毒素(phallotoxin)是从毒蘑菇死亡帽中分离的两类双环肽分子。两者都是核糖体合成,经由后翻译修饰而得,其体内实验表明两者都具有较低的致死剂量(见图1)。研究表明两类毒素分别对真核细胞的RNA聚合酶和F-肌动蛋白表现出极强的抑制作用,所以具有广泛的生物学以及药理学的用途。其中,以Amanitin为药效载荷的抗体偶联药物(ADCs)HDP-101已经进入临床1/2a期用来治疗多发性骨髓瘤,引发了对该分子的合成研究。从结构上看,两类毒素分子都存在共同的结构特征:Trp 和Cys之间的tryptathionine桥键,如果把大环内酰胺比作一个平面,tryptathionine作为大环的“手柄”在天然产物的晶体结构中就出现在大环的上方。一个长期困扰的问题是该类毒素分子的位阻异构体是否真实存在?如果真实存在,影响这种异构体生成的因素是什么?最后,这样的异构体是什么类型?

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1 鹅膏毒素(amatoxin)和鬼笔毒素(phallotoxin)的结构

   作者带着上述科学问题并基于前期开发的碘介导tryptathionine合成方法(J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 14322–14331),选用简单模型肽分子Ile3-S-deoxo-amaninamide,对八个大环内酰胺化位点进行扫描筛选,结果表明大多数的单环肽分子会生成分子量相同的两个产物。紫外吸收光谱和圆二色谱数据表明,虽然构象异构体的原子连接一致,但是因为空间构型的不同,其光谱性质也发生了偏移,暗示两者存在不同的三维结构。EXSY NMR的数据表明两个异构体并非构象交换,变温核磁和长时间高温加热也未监测到构象的互变。从结构上看,实现两者构象的互变必须将tryptathionine桥键绕过大环内酰胺或者从环内穿过(见图2),在不断裂任何共价连接的情况下,大位阻和高能垒让构象的互变不能发生,随后高温下的分子动力学模拟同样没有监测到任何过渡态,从理论上验证了该现象。作者最终通过单晶衍射确定了4b的三维结构(见图210%乙醇水溶液缓慢挥发),4b中的氨基酸连接和手性都是与4a一致,tryptathionine桥键的确处于大环内酰胺的下面,与天然构象4a相反。从结构上看,4a与4b的分子内氢键和疏水区是完全不同,直接改变两者的水溶性,非天然异构体4b的水溶较差。量子力学计算证实非天然异构体4b的键能较低,两者相差30 kJ/mol。

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2 异构体4a和4b的单晶结构及表征数据

   化学合成天然来源或人工限制环肽往往导致多重类型的异构体发生。 目前报道的有(见图3):1 Kilburn描述了首例大环拟肽分子的互变异构,其特征结构式中间的桥链通过大环内酰胺而连接;2 Reymond 报道了作为成药潜力的非对映降片烯双环肽骨架,其核磁溶液结构同样表明了桥在上/下 “bridge-up/down”的指向; Yudin课题组报道了一种非常规可调的位阻异构体现象,其特征的拟肽大环分子具有构象互换可控的功能;最近Baran课题组报道了拟肽类吲哚生物碱tryptorubin A的化学全合成,并在合成过程中检测到桥在上/下的异构体现象,并将此类异构体命名为非典型位阻异构体。

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图3  代表性的in/out异构体、降片烯双环肽异构体和非典型位阻异构体

   为了更好的用立体化学描述这种类型的异构体现象,作者提出环柄异构体ansamer。为引发化学届对新型异构体的重视,作者认为环柄异构体的 Pansa/Mansa 命名法同样可以推广至上文提到的降片烯双环肽、in/out异构体、套索肽和非典型位阻异构体(见原文)。总之,该研究成果证实鹅膏毒素类分子“位阻异构体”的确真实存在,解决了长久困扰的争议。环化位点的筛选及分子动力学模拟,证实该构象异构体生成与单环肽预组装的构象相关。作者提出的环柄异构体命名法为研究复杂环肽构象异构体及其生物活性区别提供了新的思路相关工作发表在Nature Communications。该工作是与粤港澳大湾区精准医学研究院(广州),柏林自由大学、和慕尼黑工业大学合作完成,并得到洪堡基金会、国家自然科学基金和DFG的支持。

论文信息Nat. Commun. 2022, 13, 6488. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34125-8

Behind the paper:https://chemistrycommunity.nature.com/posts/the-occurrence-of-ansamers-in-the-synthesis-of-cyclic-peptides?channel_id=behind-the-paper

 

作者简介


    姚贵阳,粤港澳大湾区精准医学研究院(广州)青年研究员,课题组组长,主要研究领域包括多肽化学和抗体偶联药物,近年来先后完成高度N-甲基化抗肿瘤环肽coibamide A、F-actin抑制剂鬼笔环肽phalloidin和鹅膏蕈碱amanitin的化学全合成、构效关系及其在抗体偶联药物中的应用。以第一作者或通讯联系人在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc.,J. Med. Chem.,等杂志上发表论文多篇,授权多项国内外发明专利,其中多项研究成果被《有机化学》和Faculty 1000报道或推荐。目前主持国家自然科学基金和省、市项目等,课题组经费充足,长期招聘有机化学、药物化学、化学生物学和细胞生物学等相关专业的硕士生、博士生、科研助理以及博士后,欢迎热爱原创新药研究、踏实有干劲的的朋友加入!


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