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蛋白质中酰基化赖氨酸特异性引入的新策略:非天然氨基酸引入与生物正交反应相结合

赖氨酸作为唯一一个侧链含有ε-氨基的氨基酸,在体内存在一系列的酰基化修饰。例如常见的乙酰化、生物素化、高级脂肪酰化和泛素化等修饰。这些修饰对细胞的结构与功能都有重要的调控作用,也是表观遗传学的研究方向之一。随着串级质谱与组学的发展,人们进一步发现许多新的赖氨酸酰基化修饰模式,包括丙二酰化、丁二酰化 (琥珀酰化)、戊二酰化、β-羟基丁酰化等等,但对这些修饰后的赖氨酸进行进一步的生物学功能的研究需要足够的修饰后均质蛋白。目前对于结构相对简单的赖氨酸酰基化,如乙酰化、丙酰化等已有一些策略实现直接引入,但相关策略并不能直接应用到复杂结构的修饰上。因而如何高效通用地实现蛋白质丁二酰化成为亟待解决的问题。

蛋白质中酰基化赖氨酸特异性引入的新策略:非天然氨基酸引入与生物正交反应相结合

叠氮正亮氨酸由遗传编码并引入模式蛋白中,由无痕斯陶丁格链接将其转化为酰基化赖氨酸


最近,Texas A&M大学化学系Wenshe R. Liu教授课题组结合非天然氨基酸引入生物正交反应技术实现了蛋白质丁二酰化的高效引入。该课题组首先设计了前体氨基酸叠氮基正亮氨酸,并筛选出对前体结构特异性的tRNA合成酶。在表达出含有前体氨基酸的蛋白后,他们可以通过一步简单便捷的生物正交反应无痕斯陶丁格链接将其转化为酰基化赖氨酸。通过改变所使用的二苯基膦甲基硫酯的种类,该方法理论上可以实现任何酰基化的特异性引入。

 

该论文以泛素蛋白为模型蛋白测试了前体氨基酸的引入与生物正交反应的转化条件,尝试了对乙酰化和丁二酰化两种修饰的引入,并进而拓展到组蛋白H3的单点修饰上。该策略制备的丁二酰化组蛋白H3可以用于体外折叠组蛋白复合体,并用于酶活测试


蛋白质中酰基化赖氨酸特异性引入的新策略:非天然氨基酸引入与生物正交反应相结合

丁二酰酰化H3K4(H3K4su)蛋白合成以及折叠形成H3K4su-H4 异源四聚体作为探针检测Sirt5去丁二酰化活性中应用。A) 利用dPPMT-NB-Su将H3K4AznL 转化成H3K4su. C) 利用Sirt1和Sirt5去丁二酰化H3K4su-H4 四聚体。


由于非天然氨基酸引入技术本身不局限于蛋白种类,并可以实现特定位点的嵌入,该策略理论上可适用于各种丁二酰化蛋白的合成。而生物正交反应条件温和,对蛋白质的结构和功能亦不会造成影响。此外,该叠氮基正亮氨酸含有叠氮基团这一天然蛋白质所不具备的重要的官能团,可以进行多种化学反应以实现蛋白质的交联、标记、定位与功能化。该非天然氨基酸引入技术与生物正交反应技术相结合的策略为其他复杂结构的翻译后修饰的特异性引入提供了可行的借鉴,尤其是对于丁二酰化对蛋白功能的调控提供了研究手段。

 

相关工作发表在Angew.Chem.Int.Ed.( DOI: 10.1002/anie.201611415),原文链接如下,或直接点击最下方阅读原文

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201611415/full


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