半胱酰胺（Cysteine, Cys）由于在自然界存在率比较低，侧基（SH基）的pKa较低（pKa ~ 8.2），所以具有比较强的亲核性、可以作为Bioconjugation靶点修饰基团。与赖氨酸类似的选择性修饰的手法近年来被大量开发，并且也可以用于基于活性的蛋白质组学方面的应用。

在许多情况下作为底物与马来酰亚胺进行迈克尔加成反应进行修饰、但是由于反应后成键的不稳定性，因此还存在很多问题，针对于这个弱点，也开发出了很多改良的手法。

而本质的课题是，从蛋白质结构保持性等观点出发，大多数Cys在蛋白质中是以胱氨酸（二硫键型Cys二聚体）的形式存在，因此在对其进行修饰前，需要进行S-S键断链的还原性前处理。所以，在保持蛋白质的高次结构下，直接进行修饰是比较困难的。

为了回避这个问题，通过基因改造的方法，通过别的途径导入unpaired Cys再对其进行修饰。

对于Cys的修饰法有交联修饰法，脱氢丙氨酸介导法，天然化学连接法，N-末端Cys修饰等。

基本文献

• Chalker, J. M.; Bernardes, G. J. L.; Lin, Y. A.; Davis, B. G.Chem. Asian J.2009,4, 630. DOI:10.1002/asia.200800427
• Gunno, S. B.; Madder, A.ChemBioChem2016,17, 529. DOI:10.1002/cbic.201500667
• Calce, E.; De Luca, S.Chem. Eur. J.2017,23, 224. DOI:10.1002/chem.201602694

• Stephanopoulos, N.; Francis, M. B.Nat. Chem. Biol.2011,7, 876. doi:10.1038/nchembio.720de
• Gruyter, J. N.; Malihns, L. R.; Baran, P. S.Biochemistry2017,56, 3863. DOI:10.1021/acs.biochem.7b00536

反应实例

烷基化反应[1]：缺点是与可能会与其他亲核性氨基酸残（Lys, His）发生交叉反应。α-碘（溴）乙酰胺试剂被开发应用。下图是蛋白质与Grubbs催化剂结合，开发出新型复分解反应催化剂的一个实例[2]。

Perfluoroaryl化[3]: 芳香族亲核取代反应。生成的S-aryl键稳定性很好。然而局限再与反应试剂的水溶性差。

与马来酰亚胺进行迈克尔加成[4]：反应非常迅速，并且没有副产物生成，还能进行大scale的合成。然而具有以下问题点：通过逆迈克尔反应发生可逆的硫醇交换，并且还有可能会发生琥珀酰亚胺开环（为了生成更稳定的C – S键）。

下图是市售ADC（抗体偶联药物）中的一种叫Adcetris的药物的结构，抗体的侧链通过Cys作为连接点，与抗癌小分子药物monomethyl auristatin E（MMAE）连接形成ADC药物。

其他的迈克尔受体型试剂还有、炔基酮[5]、炔基腈[6]、Allenamides[7]等反应被报道。

交叉二硫键形成[8]: S-S键虽然可能会与内在性的硫醇进行交换反应与具有redox-sensitive的弱点等问题存在，但是也有利于改善药物在生物体中的输送的特性。

Thiol-ene Reaction: 优点是不需要有机溶剂，对氧气，水也具有一定耐受性。然而怕光，尤其是在UV照射下会引起蛋白质变性。

使用有机金属的转换法：毒性是一个巨大的问题，一般该方法修饰后无法进行in vivo的应用，但是作为方法学来说具有一定的魅力。铑卡宾的插入方法[9]、鈀催化的S-aryl化[10]、金催化的allen加成反应[11]等已经被报道。下图是通过S-aryl化反应的ADC的开发[10]。

实验技巧

S-S键的还原性断裂通常使用、三（2-羧乙基）膦（TCEP）盐酸盐。特点是在广域的pH下使用（1.5 < pH < 8.5）。

二硫苏糖醇（DTT）作为强力的还原剂使用频率也比较高，但是只能在中性条件下使用（pH>7）、并且对架桥试剂也具有一定反应活性，是其最大的弱点。

参考文献

1. Recent Review: Calce, E.; De Luca, S.Chem. Eur. J.2017,23, 224. DOI:10.1002/chem.201602694
2. Mayer, C.; Gillingham, D. G.; Ward, T. R.; Hilvert, D.Chem. Commun.2011,47, 12068. doi:10.1039/C1CC15005G
3. (a) Spokoyny, A. M.; Zou, Y.; Ling, J. J.; Yu, H.; Lin, Y.; Pentelute, B. L.J. Am. Chem. Soc.2013,135, 5946. DOI:10.1021/ja400119t(b) Zhang, C.; Welborn, M.; Zhu, T.; Yang, N. J.; Santos, M. S.; Voorhis, T. V.; Pentelute, B. L.Nat. Chem.2016,8, 120. doi:10.1038/nchem.2413
4. Moore, J. E.; Ward, W. H. J. Am. Chem. Soc. 1956, 78, 2414. DOI:10.1021/ja01592a020
5. Shiu, H.-Y.; Chan, T.-C.; Ho, C.-M.; Liu, Y.; Wong, M.-K.; Che, C.-M.Chem. Eur. J.2009,15, 3839. DOI:10.1002/chem.200800669
6. Koniev, O.; Leriche, G.; Nothisen, M.; Remy, J.-S.; Strub, J.-M.; Schaeffer-Reiss, C.; Dorsselaer, A. V.; Baati, R.; Wagner, A.Bioconjugate Chem.2014,25, 202. DOI:10.1021/bc400469d
7. Abbas, A.; Xing, B.; Loh, T.-P.Angew. Chem. Int. Ed.2014,53, 7491. DOI:10.1002/ange.201403121
8. (a) Ellman, G. L.Arch. Biochem. Biophys.1959,82, 70. doi:10.1016/0003-9861(59)90090-6(b) Chatterjee, C.; McGinty, R. K.; Fierz, B.; Muir, T. W.Nat. Chem. Biol.2010,6, 267. doi:10.1038/nchembio.315
9. Kundu, R.; Ball, Z. T.Chem. Commun.2013,49, 4166. doi:10.1039/C2CC37323H
10. (a) Vinogradova, E. V.; Zhang, C.; Spokoyny, A. M.; Pentelute, B. L.; Buchwald, S. L.Nature2015,526, 687. doi:10.1038/nature15739(b) Rojas, A. J.; Pentelute, B. L.; Buchwald, S. L.Org. Lett.2017,19, 4263. DOI:10.1021/acs.orglett.7b01911
11. Chan, A. O.-Y.; Tsai, J. L.-L.; Lo, V. K.-Y.; Li, G.-L.; Wong, M.-K.; Che, C.-M.Chem. Commun.2013,49, 1428. doi:10.1039/C2CC38214H

关联书籍

外部链接

• Cysteine – Wikipedia

本文版权属于Chem-Station化学空间， 欢迎点击按钮分享，未经许可，谢绝转载！