摘要：在今天，化学手段的进步使得人们能够便捷地将各类功能负载（functional payloads，如荧光基团和药物分子）连接在蛋白质上以拓展天然蛋白质的功能，从而满足多种领域的需求。与之相比，调节蛋白质原有的功能遵循着不同的逻辑：其要求对蛋白质局部的非共价相互作
在今天，化学手段的进步使得人们能够便捷地将各类功能负载（functional payloads，如荧光基团和药物分子）连接在蛋白质上以拓展天然蛋白质的功能，从而满足多种领域的需求。与之相比，调节蛋白质原有的功能遵循着不同的逻辑：其要求对蛋白质局部的非共价相互作用网络进行精密的调节，而这需通过向特定残基上引入仅含数个甚至一个原子的小体积取代基实现——正如自然界中大部分的翻译后修饰（PTMs）那样。遗憾的是，以化学手段进行此类修饰在今天仍十分具有挑战性。直接引入小体积修饰的方法往往因使用高活性的试剂而面临着选择性低的问题；而有利于修饰选择性的温和试剂引入的修饰往往体积较大且难以转化为所需的小体积取代基。目前少数可进行选择性单原子修饰的方法局限在含重主族杂原子（如硫、硒）的残基上，如Davis团队对半胱氨酸的转化和Metanis团队对硒半胱氨酸的转化。但对其它蛋白质残基，特别是对芳香族残基（如酪氨酸），执行高选择性的单原子修饰仍是亟待解决的科学问题。
德国马克斯•普朗克煤炭研究所Tobias Ritter团队的已毕业博士生Songyun Lin（林松韵，本文第一作者）推测包含在残基-修饰基团键连中的重主族杂原子是修饰基团既能被选择性地引入也能被进一步转化为小体积取代基的关键。基于此，他结合Ritter团队先前开发的用于小分子后期官能化的噻蒽（thianthrene）化学设计了位点选择性的酪氨酸残基单原子修饰的反应：噻蒽氧化物（thianthrene S-oxide，3）的某种类似物在被激活后对目标蛋白质中位阻最小、最富电子的酪氨酸残基进行芳香亲电取代（SEAr），其产生的噻蒽盐（衍生物）反应枢纽（thianthrenium linchpin）再被转化为多种带有单原子修饰的酪氨酸残基。该设计虽充分利用了噻蒽化过程对电子结构和空间位阻的极高敏感性和噻蒽盐转化的多样性，但也面临一个主要挑战，即噻蒽氧化物3的激活与蛋白质修饰反应条件的不兼容。通常，3需在无水条件下转化成有活性的TT-OTFA+后才能对底物进行SEAr反应（图1a）；尽管3也可以在有机溶剂中通过被强酸质子化而激活，但3太弱的碱性致使该过程无法在水溶液中实现（图2a）。为了回应这一挑战，林松韵博士基于噻蒽的稠环骨架设计了一种崭新的硒亚砜（selenoxide）试剂1。1不仅有着碱性更强的硒亚砜基团，且其质子化形态1H+可被分子内对水稳定的硫族键（chalcogen bond）和氢键（hydrogen bond）进一步稳定。作为以上设计的结果，1在室温水溶液中即可通过质子化激活，其产物1H+可向一系列内源性多肽和蛋白质的特定酪氨酸残基引入硒鎓盐修饰基团；后者可再经过光氧化还原或过渡金属催化进一步被转化为多种小体积包括单原子的取代基（图1b）。该工作历时六年，现发表于Nature Chemistry 期刊，Songyun Lin（林松韵）和Marina Hirao为共同第一作者（其中林松韵博士本科毕业于清华大学生命科学院生物科学系，目前已回国在苏州大学迟力峰院士课题组进行博士后研究，从事新型有机半导体材料开发的相关工作）。
图1. 背景介绍及本文工作。图片来源：Nat. Chem.
对试剂1的开发起源于硒亚砜4。相较于母体化合物3，4更强的碱性（pKa = 1.6，图2b）使其可在水中被质子化，并能在30 °C、pH 1水溶液条件下修饰模型底物2。作为4的改进，5因分子内的N•••Se+–C硫族键（图2c）而有更强的碱性，并因此可在pH 3条件下修饰2。向构象被硫族键锁定的吡啶基6号位上引入氢键受体将可以与硒氧鎓离子的羟基形成对水稳定的分子内氢键，从而进一步稳定硒氧鎓离子——如此6被设计出来（图2d）。但6中的酰胺基碱性较弱，其形成的分子内氢键对6H+的稳定作用有限。用碱性更强的噁唑基团代替6中的酰胺基团诞生了最终的硒亚砜试剂1，其能够在前述pH 3、低反应物浓度（5 mM）的条件下将2以88%的产率转化为硒鎓盐产物15。对应的晶体结构确证了固体状态下分子内氢键和硫族键的存在（图2e）；滴定实验（图2f）和进一步的NMR控制实验（图2g）证实1和1H+中噁唑基团15N核磁位移变化（Δδ = −10.5 ppm，图2e）源于对水稳定的分子内氢键的形成。
图2. 试剂开发和机理实验。图片来源：Nat. Chem.
接下来，作者利用试剂1对一系列内源性多肽和蛋白质进行了修饰（图3）。对图示四种多肽的修饰均可以中等到高的产率（57–92%）得到对应的酪氨酸残基修饰产物（7–10）且其余残基均不受试剂1的影响，这初步证明了此种修饰方法的化学选择性。未被以上多肽覆盖到的残基（甲硫氨酸、半胱氨酸、色氨酸）中仅半胱氨酸会被1氧化为胱氨酸。鉴于蛋白质表面半胱氨酸的丰度较低（
图3. 多肽和蛋白质的硒修饰。图片来源：Nat. Chem.。
最后，作者探索了酪氨酸硒鎓盐的后续转化（图4）。以15为模型底物，作者开发了光氧化还原条件下酪氨酸硒鎓盐的碘化（16，84%）、溴化（17，75%）、氯化（18，71%）、羟基化（19，64%）以及香豆素化反应（20，57%）。此外，15也可以在钯催化下与对氟苯硼酸发生Suzuki偶联反应（21，75%）。所有转化均在20分钟内完成，这有利于在肽类硒鎓盐衍生物上开展此类反应。通过选用合适的方法，碘代催产素（22）和各类比伐卢定的微修饰衍生物（23–25）均可以良好的产率获得。其中，由于酪氨酸残基香豆素化后具有荧光且体积变化很小，其产物可用于通过荧光共振能量转移（FRET）研究多肽或蛋白质的溶液结构。碘代胰岛素的合成（26，64%，主碘代位点Y26）为制备Y26碘代的胰岛素药物提供了除自然化学连接法（NCL）外的更便捷的途径。溴代泛素在尿素变性条件下的合成（27，71%）与其后成功的复性表明这种“变性-硒修饰-单原子转化-复性”的策略可用于蛋白质内部酪氨酸残基的单原子修饰。
图4. 硒鎓盐的后续转化。图片来源：Nat. Chem.
小结
Ritter课题组报道了一种可实现位点选择性酪氨酸残基单原子修饰的硒亚砜设计与应用。该方法不仅展示了一种蛋白质碳氢键官能化的崭新路径，而且将四价硒的亲电反应性引入生物交联领域并据此提供了运用较重的主族元素的新见解。尽管当前反应条件（如pH 3.0）的限制使其尚难用于大多数蛋白质的选择性修饰，但本方法提出了一种新的理念，即通过蛋白质选择性碳氢键官能化引入可进行多种转化的反应枢纽，从而实现迄今难以实现的蛋白质的单原子修饰。
A selenoxide for single-atom protein modification of tyrosine residues enabled by water-resistant chalcogen and hydrogen bonding
Songyun Lin, Marina Hirao, Philipp Hartmann, Markus Leutzsch, Marie Sophie Sterling, Alessandro Vetere, Sandra Klimmek, Heike Hinrichs, Johanna Marie Mengeler, Johannes Lehmann, Jan Samsonowicz-Gόrski, Florian Berger & Tobias Ritter
Nat. Chem., 2025, DOI: 10.1038/s41557-025-01842-8
来源：X一MOL资讯