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4,6-二氟色氨酸的合成作为蛋白质 19F NMR 探针

Advanced Synthesis & Catalysis ( IF 4.4 ) Pub Date : 2024-03-25 , DOI: 10.1002/adsc.202400031
Christina M Monnie 1 , Iker Hernández 2 , Raixie Meléndez-Pacheco 1 , Fatema Bhinderwala 1 , Vadim Soloshonok 3 , Angela M. Gronenborn 1 , Aitor Landa 4 , Mikel Oiarbide 4
Affiliation  


鉴于含氟原子的新药物数量不断增加, 1氟化学和氟化化合物的应用正在成为一个蓬勃发展的研究领域。氟化氨基酸的需求量很大2 ,它们的合成3以及掺入蛋白质目前是一个非常令人兴奋和不断扩展的课题。如今,应用氟化定制氨基酸来研究蛋白质动力学、结构、折叠和功能远远超出了药物发现活动的范围,氟核磁共振波谱作为一种有价值的工具越来越受欢迎。 4 100% 天然丰富的19 F 原子具有良好的 NMR 特性:自旋 1/2 核和仅次于氢的第二高旋磁比,从而具有出色的灵敏度。 5此外,氟核的共振频率对其构象和电子环境有精确的响应,覆盖范围为 >300 ppm。 6此外,由于所有生物分子中实际上都不存在19 F,因此氟化蛋白质的光谱不会受到任何背景信号的影响。


使用氟化氨基酸类似物将单个氟原子以尽可能多的链位置选择性掺入蛋白质中,是评估蛋白质结构和配体结合的一种有吸引力的方法。在这方面最常用的氟化氨基酸之一是色氨酸(Trp)。单氟化色氨酸可以很容易地掺入蛋白质中,而不需要专门的菌株。 7除了单氟化色氨酸之外,我们的目标是将这一研究空间扩大到二氟色氨酸,提供不止一种探针来评估氟化蛋白质的行为。这就需要方便且容易地获得此类氟化氨基酸。在这里,我们报告了 4,6-二氟色氨酸的便捷且可扩展的合成、将其掺入蛋白质以及这种定制氨基酸作为19 F NMR 探针的表征(方案 1)。

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 方案一

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这项工作的概念化。


为了合成目标氟化色氨酸1 ,我们的计划设想将相应的氟化禾胺与亲核甘氨酸等价物偶联。禾本科胺(3-氨基甲基吲哚)在各种活化机制下往往会失去连接在苄基位置的 R 1 R 2 N 单元,生成亲电子的氮杂富烯中间体,该中间体可以被多种亲核试剂原位拦截。 8特别是,Sainsbury 9报道称,在平稳条件下,作为二甲氨基清除剂的二甲基乙炔二羧酸酯可以促进禾本科胺分别与丙二腈或 α-氰基酯的偶联。 Williams 对该方法进行了进一步改进,确定丙炔酸乙酯3是最佳活化试剂10 (方案 2)。然而,据报道,在 Williams 条件下(Et 2 O 作为溶剂,室温 15 分钟),禾本科胺2aN- (二苯基亚甲基)甘氨酸甲酯6a偶联,以低 41% 的分离率提供色氨酸衍生物7a。屈服。从一开始,考虑到这些先例,该方法生产所需氟化色氨酸的适用性尚不清楚。

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 方案2

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丙炔酸乙酯促进了禾本科胺2a与甘氨酸等价物的偶联。 (Williams等人,参见参考文献10 )。


为了对该方法进行初步评估,二氟化禾胺2b (通过曼尼希反应从相应的吲哚11合成)与亚氨基酯6a在稍微过量(1.1当量)的丙炔酸乙酯3存在下在报道的最佳条件下进行反应由威廉姆斯在 0 °C 时进行。确实获得了所得加合物7b ,尽管毫不奇怪,分离产率较低(22%)。将溶剂从 Et 2 O 改为 CH 2 Cl 2将产率提高至但仍不令人满意的 29%(方案 3a)。

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 方案3

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亚氨基酯6a和 2-苄基硫代咪唑酮6b与二氟禾本科胺2b偶联的比较。


在可能容易修改的其他反应参数中,我们重点关注除 α-亚氨基酯之外的合理甘氨酸等价物。在这方面,最近我们中的一些人引入了 2-苄基硫代咪唑啉酮作为亲核乙内酰脲替代物,其在(弱碱性)有机催化条件下顺利添加到各种迈克尔受体上。 12在此基础上,我们推断,将 2-苄基硫代咪唑酮6 b的 C-4 亲核特性与原位形成的亲电子氮杂富烯(如5 b )配对可能是有利的,为上述问题提供了解决方案,因为乙内酰脲随后可以转化为各自的α-氨基酸。 13为此,令人欣慰的是观察到6 b2 b在 CH 2 Cl 2溶剂中于 0 °C 反应,得到偶联加合物8 ,分离产率有望达到 54%(方案 3b)。进一步的实验表明,温度对反应结果影响很大:在 -35 °C 下进行反应导致形成分析纯材料化合物8 ,分离收率为 95%。具有实际重要性的是,可以将反应规模扩大到数克规模,而不会对产物收率或纯度造成任何显着损害,从而可以从 1.25 g (5.94 mmol) 禾本科胺2 b开始制备 2.54 g (5.34 mmol) 二氟化加合物8 ( 90% 的产率)在一次运行中。


在室温下用6M HCl的二恶烷溶液处理8 16小时,得到相应的N-苯甲酰基乙内酰脲9 。然后,通过碱性水解、 14质子化和离子交换柱纯化直接进行乙内酰脲开环,得到目标二氟化氨基酸1 ,总产率为 65%(三步,方案 4)。

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 方案4

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偶联加合物8水解转化为乙内酰脲9和目标 4,6-F 2 -Trp 1


所有三种氟化色氨酸,4-氟色氨酸,6-氟色氨酸和合成的4,6-二氟色氨酸都被有效地掺入蛋白质中,并且标记蛋白质的产量基本相同。这表明4,6-二氟色氨酸被大肠杆菌的生物合成蛋白质合成机器有效地利用。请注意,与全氟化合物相比,CTD 中一个氨基酸上的两个氟原子不会显着改变蛋白质的特性,尽管二聚常数似乎受到了影响(参见 SI)。


该结构域二聚化(图 1),二聚体通过反平行螺旋-螺旋界面连接整个衣壳晶格中两个相邻的六聚体单元。在界面的中心,该结构域中的单个色氨酸残基在圆锥形衣壳壳扩展晶格的稳定中起着关键作用。 15可以看出,六元吲哚环的 4 位和 6 位在结构中的二聚体界面上间隔 5.2 Å (4F–4F)、6.1 Å (6F–6F) 和 5.4 Å,理想情况下适合报告二聚体形成。 WT CTD 形成 K d值为 ∼10 μM 的二聚体。有趣的是,在 WT CTD 和 4-氟色氨酸 CTD 中观察到两种不同的二聚体,在图 1 中标记为 D 1和 D 2 ,其相对量取决于 pH、温度和浓度。 16鉴于氟原子在 4-氟-Trp CTD、6-氟-Trp CTD 和 4,6-二氟-Trp CTD 中的关键位置,我们使用19 F NMR 来评估蛋白质。图 1 显示了游离氟化氨基酸和掺入 CA-CTD 后的光谱。显然,可以看到明显的19 F 化学位移,分离氨基酸的 4-F 和 6-F 共振位于 -46.4分别为 ppm 和 -43.7 ppm。有趣的是,4,6-二氟色氨酸中的等效共振位置位于-41.5和-43.5 ppm,与单氟化色氨酸氨基酸的共振位置明显不同。如前所述,色氨酸中 6 位氟原子的各向同性19 F 化学位移位于 4 位氟原子的低场,这里也看到了17 F化学位移。 在 4-F-Trp CA-CTD 蛋白质光谱中,可以看到两种二聚体形式(D 1和 D 2 )以及单体 (M),而 6-F-Trp CA-CTD 仅在 10 μM 中可见样品可以检测到单体的共振。然而有趣的是,4,6-F 2 -Trp CTD 的19 F 光谱显示出四个未很好解析的共振。与单氟化 4F-Trp 和 6-F-Trp CTD 的情况不同,在不同浓度 (SI) 下记录光谱不允许将共振明确分配给单体和二聚体物种。然而,令人欣喜的是,4,6-F 2 -Trp 生物合成并入 HIV-1 衣壳蛋白 (CA-CTD) 的 C 端结构域得以实现,这表明大肠杆菌蛋白质合成机制能够利用这种二氟化氨基酸。

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 图1

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HIV1 CA-CTD(PDB ID;2KOD)以带状表示,二聚体界面处的色氨酸侧链以棒状表示,4 和 6 位的 F 原子分别为青色和洋红色球体(左上)。 4-F-、6-F- 和 4,6-F Trp CA-CTD 的 SDS PAGE,标明标记大小(左下)。 10 μM 蛋白质浓度下 4-F、6-F 和 4,6-F 2 -Trp 在 25 °C 时的19 F 光谱。 4-F、6-F 和 4,6-F 2 -Trp CA-CTD 光谱分别以青色、品红色和蓝色显示。 D、二聚体; M,单体。


总之,基于 4,6-二氟禾本科胺2 b和 2-benzylthio-1,5 之间的脱氨偶联,报道了合成 4,6-二氟色氨酸1 (4,6-F 2 -Trp) 的可扩展程序。 -二氢-4 H-咪唑啉酮6 b .清洁反应和高效偶联的关键是保持较低的反应温度(-35°C)并使用6b作为有利的甘氨酸合成等效物。将制备的 4,6-F 2 -Trp 掺入 HIV-1 衣壳蛋白 (CA-CTD) 的 C 末端结构域,其产率与单个单氟化氨基酸相似。

 实验部分


丙炔酸乙酯促进 2-苄基硫代咪唑酮 6b 与禾本科胺 2b 的加成


在室温下,向禾本科胺2b (42mg,0.2mmol)在无水CH 2 Cl 2 (2mL)中的溶液中添加2-苄基硫代咪唑酮6b (2当量,0.4mmol,124mg)。将溶液冷却至-40℃后,加入丙炔酸乙酯3 (1.1当量,0.22mmol,22mg)并将反应混合物在相同温度下搅拌10分钟。然后,使混合物在30分钟内缓慢达到-35℃。然后,减压蒸发溶剂,粗化合物通过柱色谱纯化(洗脱剂:己烷/乙酸乙酯5:1)得到8 ,为棕色固体,mp=215–217℃。产量90.4毫克,0.19毫摩尔,95%。 1 H NMR (300 MHz , CDCl 3 ) δ =8.01 (s, 1H), 7.42–7.13 (m, 10H), 6.83 (d, J =2.4 Hz, 1H), 6.74 (dd, J HF =8.9, J HH = 2.1 Hz, 1H), 6.50–6.39 (m, 1H), 5.13–5.04 (m, 1H), 4.36 (d, J =2.4 Hz, 2H), 3.34 (dd, J =15.3, 4.8 Hz, 1H) ),3.19(dd, J = 15.1,6.1 Hz,1H)。 13 C{ 1 H} NMR(126MHzCDCl 3 ) δ =185.8、185.1、167.5、159.5(dd、 J =239.8、12.2Hz)、156.2(dd、 J =248.1、15.1Hz)、137.7(t、 J = 14.0 赫兹), 135.2, 132.7, 132.5, 129.6, 128.9, 128.6, 128.0, 127.9, 124.1 (d, J = 3.2 赫兹), 112.8 (d, J = 19.4 赫兹), 107.2 (d, J = 3.1 赫兹) )、95.8(dd, J = 28.7、23.9 Hz)、93.9(dd、 J = 26.1、4.4 Hz)、65.9、38.3、28.5(d、 J = 2.0 Hz)。 19 F NMR(376MHzCDCl 3 ) δ-118.14(td, JFH /FF =9.2,4.6Hz),-119.48(dd, JFH /FF =11.0,4.8Hz)。 HRMS (ESI) m / z [M + H] + C 26 H 20 F 2 N 3 O 2 S 的计算值,476.1239;找到 476.1246。 IR (cm -1 )3354、1717、1674。


8的大规模合成


从 1.25 g (5.94 mmol) 起始禾本科胺2 b开始进行与上述相同的程序,并使用以下量的溶剂和试剂:50 mL 干燥 CH 2 Cl 2 ,2-苄基硫代咪唑酮6 b (2 eq.,11.88 mmol, 3.69毫克)和丙炔酸乙酯3 (1.1当量,6.54毫摩尔,0.64克)。产量2.54克,5.34毫摩尔,90%。


8水解成氟化乙内酰脲9


水溶液。在0℃下,将HCl 6 M(11当量58.74 mmol,9.79 mL)逐滴添加至咪唑啉酮8 (5.34 mmol,2.54 g)在1,4-二恶烷(80 mL)中的溶液中。一旦添加完成,将反应混合物在室温下搅拌过夜。然后,将混合物冷却至0℃并添加NaHCO 3饱和溶液直至达到碱性pH。将水层用CH 2 Cl 2萃取三次并将合并的有机层经MgSO 4干燥并在减压下蒸发溶剂。粗产物通过硅胶快速柱色谱法(己烷/EtOAc 3:1至1:1)纯化,得到乙内酰脲9 ,为白色泡沫。产率:1.37克,3.70毫摩尔,69%。 1 H NMR (300 MHz , CDCl 3 ) δ =8.46 (s, 1H), 8.11 (s, 1H), 7.54–7.23 (m, 5H), 6.96 (d, J =2.3 Hz, 1H), 6.83 (dd , J HF =8.9, J HH =2.0 Hz, 1H), 6.43 (ddd, J HF =11.0, 9.9, J HH =2.0 Hz, 1H), 5.24 (dd, J =5.2, 3.3 Hz, 1H), 3.79 (dd, J =15.1, 5.2 Hz, 1H), 3.56–3.43 (dd, J =15.1, 3.3 Hz, 1H)。 13 C NMR{ 1 H}(126MHzCD 3 OD) δ =174.4、170.1、160.3(dd、 JCF =237.2、12.0Hz)、157.4(dd、 JCF =247.3、15.0Hz)、155.0、139.4 (t, J CF = 14.3 Hz),135.5,133.0,130.2,128.4,126.2(d, J CF = 2.3 Hz),114.6(d, J CF = 18.7 Hz),107。0(d, J CF = 2.9 Hz),95.5(dd, J CF = 29.2,24.0 Hz),94.8(dd, J CF = 26.0,4.4 Hz),62.9,25.9(d, J CF = 2.5 Hz)。 19 F NMR(376MHzCDCl 3 ) δ-117.73(td, JFH /FF =9.5,4.5Hz),-118.41(dd, JFH /FF =11.1,4.6Hz)。 HRMS (ESI) m / z [M+H] + C 19 H 14 F 2 N 3 O 3的计算值,370.0998;发现,370.1005。 IR (cm -1 ):3232、1791、1731。


乙内酰脲 9 转化为氟化色氨酸 1


在0℃(冰浴)下,向乙内酰脲9 (1当量,3.70mmol,1.37g)在35mL H 2 O中的溶液中加入Ba(OH) 2一水合物(4当量,14.8mmol,2.80g)额外。将所得混合物回流96小时,观察到氨气的放出和碳酸钡的形成。然后将混合物冷却至室温,过滤沉淀并用水洗涤。将水层用HCl 3M (6当量,22.2mmol,3.7mL)酸化,然后首先在旋转蒸发器中减压除去水和挥发物(HCl),最后在真空泵下除去。将所得固体溶解在水中,然后装入 dowex® 50WX2 氢型(50–100 目)离子交换树脂(预先用 1.0 M HCl 清洗)。然后,用水处理树脂直至洗脱液的pH为中性。然后,通过5%NH 3水溶液洗脱使化合物从树脂中释放。将获得的碱性溶液真空浓缩,得到两性离子形式的 4,6-二氟-Trp 1 ,为浅棕色固体,mp=259–262 °C。产量:0.83克,3.47毫摩尔,94%。 1 H NMR (300 MHz , D 2 O) δ =7.22 (s, 1H), 7.08 (dd, J HF =9.6, J HH =2.1 Hz, 1H), 6.83–6.69 (m, 1H), 4.01 (dd , J = 8.9,4.9 Hz,1H),3.53(dd, J = 15.1,4.8 Hz,1H),3.20(dd, J = 15.0,9.0 Hz,1H)。 13 C{ 1 H} NMR(126MHzCD 3 OD) δ =173.9,160.6(dd, JCF 237.3,12.3Hz),157。7(dd, J CF = 246.0,15.3 Hz),140.3(t, J CF = 14.7 Hz),126.0(d, J CF = 2.9 Hz),113.8(d, J CF = 19.4 Hz),108.9,95.4( dd, J CF = 29.3,24.4 Hz),94.9(dd, J CF = 26.0,4.4 Hz),57.3,29.3。 19 F NMR(376MHzCD 3 OD )δ-121.54(td, JFH /FF =9.9,4.1Hz),-122.51(dd, JFH /FF =11.2,4.3Hz)。 HRMS (ESI) m / z :[M+H] + C 11 H 11 F 2 N 2 O 2的计算值,241.0783;发现 241.0789。 IR (cm -1 ):3457、1646、1557、1540、1507。

 蛋白质制备


如前所述,用编码HIV衣壳-CTD的构建体的质粒转化BL21(DE3)大肠杆菌。 15培养物在 37°C 下在含有 100 μg/L 羧苄青霉素、1 g/L− 15 NH 4 Cl 和 2 g/L 葡萄糖分别作为唯一氮源和碳源的 M9 改良基本培养基中生长。在 OD 600为 0.6–0.7 时,向培养物中添加 1 g/L 草甘膦和 100 mg/L 两种芳香族氨基酸(苯丙氨酸和酪氨酸)以及 50 mg/L 氟化氨基酸 4-氟色氨酸、6-氟色氨酸或4,6-二氟色氨酸。 45 分钟后,用 1 mM IPTG 诱导蛋白表达。然后将培养物在 18°C 下再生长 16 小时。 4°C、3,500 g 离心 30 分钟收获细胞。将细胞沉淀重悬于 40 mL 裂解缓冲液(25 mM 磷酸钠,pH 5.8,5 mM DTT)中,并通过超声处理裂解。 4°C、33,000 g 离心 40 分钟去除细胞碎片。将澄清的裂解物加载到 5 mL 离子交换柱(HiTrap SP HP,5 mL)上,并使用 25 mM 磷酸钠缓冲液(pH 5.8、5 mM DTT)中的 0–50% 1 mM NaCl 梯度进行洗脱。收集、合并 10-15% NaCl 之间洗脱的蛋白质和含有蛋白质的级分,并在 Amicon 中以 3000 Da 截止值浓缩。使用含有 2 mM DTT 的磷酸盐缓冲盐水(pH 7.4),通过 Superdex 75 10/300 GL 柱(GE Healthcare Life Sciences)通过尺寸排阻对浓缩的蛋白质进行分级。通过 PAGE 和质谱法评估蛋白质纯度和 F 掺入。


19 F核磁共振波谱


在 14.1 T Bruker AVANCE 光谱仪上,在 298 K 下记录同一水缓冲液中单个氨基酸和氟化蛋白质的所有19 F 光谱,该光谱仪配备 CP TXO F/CHD 三重共振、z 轴梯度冷冻探针,温度为 283 K。 19 F化学位移参考三氟乙酸。使用 5 秒的循环延迟收集19 F 光谱,包含 16,000 个数据点和 50 ppm 的光谱宽度。载波频率设置为-123 ppm。所有光谱均使用 Bruker Topspin 3.2 进行处理。化合物12b7b8919 F 光谱是在配备有 Iprobe 的 Bruker Avance Neo 400 上于 298 K 下以 376.5 MHz 记录,使用单氟苯作为内参比。这些光谱使用 Topspin 4.1.4 和 Mestrenova 软件进行处理。

 致谢


我们感谢巴斯克政府(EJ,赠款 IT1583-22)和 Agencia Estatal de Investigación(赠款 PID2019-109633GB-C21/AEI/10.13039/501100011033 和 PID2022-137153NB-C21/AEI/10.13039/501100011033 )以获得财政支持。作者感谢 SGIker(UPV/EHU/ERDF、EU)提供的技术和人力支持。 IH 感谢 EJ 的奖学金。 RM-P。得到了匹兹堡大学健康科学多样性学者计划和美国心脏协会博士后奖学金的支持。格罗南博恩实验室的工作得到了 NIH 拨款 U54AI170791 的支持。





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    更新日期:2024-03-25
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