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环张力促进的炔烃-硝酮环加成反应(SPANC)

环张力促进的炔烃-硝酮环加成反应(SPANC)是一类重要的生物正交反应,具有反应速率快、试剂浓度低、立体电子可调性等特点。包括二苄基环辛烯(DIBO)在内的二芳基应变环辛烯也已被用于环张力促进的炔-硝基酮环加成(SPANC)中与1,3-硝基酮反应以产生N-烷基化异恶唑啉。[1]

 

由于该反应是不含金属的,并且以快速动力学进行(k2快至60 1/Ms,比CuAAC或SPAAC都快),因此SPANC可用于活细胞标记。此外,硝基酮偶极的碳原子和氮原子上的取代,以及无环和内环硝基酮都是可兼容的。这种大余量为硝基酮标签或探针的结合提供了很大的灵活性。[2]


图1. SPAAC与SPANC反应

 

然而,异恶唑啉产物不如CuAAC和SPAAC的三唑产物稳定,且还可以在生物条件下进行重排。无论如何,该反应由于具有显著快速的反应动力学,时至今日仍然非常有用。[1]

 

该反应的应用包括标记含有丝氨酸作为第一残基的蛋白质:丝氨酸用NaIO4氧化为醛,然后用对甲氧基苯硫醇、N-甲基羟胺和对苯胺转化为硝酮,最后与环辛烯培养得到点击产物。此外,SPANC还允许多重标记。[3,4]

应用

SPANC的应用范围从蛋白质和细胞表面标记到材料科学。

 

最具特色的应用涉及以丝氨酸为第一残基的肽或蛋白质的特异性N-末端硝酮官能化和标记。N-末端肽或蛋白质的标记可以使用SPANC反应来完成。这种标记方法确保了在不破坏蛋白质结构或功能的情况下进行单位点修饰。例如,使用荧光和超顺磁性环辛烯功能化纳米颗粒通过SPANC反应与正确折叠的含硝基抗HER2抗体结合而形成的复合物在靶向HER2-阳性乳腺癌症细胞中起着关键作用,表明SPANC在靶向治疗HER2-阳性癌症乳腺癌方面具有潜在应用。

 

实现蛋白质修饰的经典方法,最常见的是靶向半胱氨酸巯基或赖氨酸伯胺基团,可能导致蛋白质二聚化、溶解性差或蛋白质功能丧失,这取决于修饰氨基酸的位置。有几种方法可以将叠氮化物功能化的氨基酸位点选择性代谢整合到蛋白质中,然而,它们需要基因工程操作并使用一种报告标签。相反,N-末端SPANC蛋白标记是将功能标签直接位点特异性结合到靶蛋白的策略。该过程只需要含有N-末端丝氨酸的硝基酮的转化和随后的SPANC反应。

 

SPANC反应也可以应用于细胞膜上的标记。例如,环硝酮修饰的表皮生长因子(EGF)能够将人乳腺癌症细胞(MDA-MB-468)与EGF受体结合,并用于随后的原位SPANC反应。用EGF-硝基酮处理MDA-MB-468细胞,与DIBO生物素反应,然后用链霉亲和素-FITC染色以检测细胞膜上的标记。

参考文献

1. MacKenzie, DA; Sherratt, AR; Chigrinova, M; Cheung, LL; Pezacki, JP (Aug 2014). "Strain-promoted cycloadditions involving nitrones and alkynes—rapid tunable reactions for bioorthogonal labeling". Curr Opin Chem Biol. 21: 81–8. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2014.05.023

2. (64) (a) Ning, X.; Temming, R. P.; Dommerholt, J.; Guo, J.; Ania, D.B.; Debets, M. F.; Wolfert, M. A.; Boons, G.-J.; van Delft, F. L" Angew. Chem. Int. Ed. 2010; 49, 3065. (b) McKay, C. S.; Moran, J.; Pezacki, J. P. Chem. Commun. (Cambridge, U. K.) 2010, 46, 931. (c) Debets, M. F.; van Berkel, S. S.; Dommerholt, J.; Dirks, A. T. J.; Rutjes, F. P. J. T.; van Delft, F. L. Acc. Chem. Res. 2011, 44, 805. (d) McKay, C. S.; Chigrinova, M.; Blake, J. A.; Pezacki, J. P. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 3066.

3. Lang, K.; Chin, J. (2014). "Bioorthogonal Reactions for Labeling Proteins". ACS Chem. Biol. 9 (1): 16–20. https://doi.org/10.1021/cb4009292

MacKenzie, DA; Pezacki, JP (2014). "Kinetics studies of rapid strain- promoted [3+2] cycloadditions of nitrones with bicyclo[6.1.0]nonyne". Can J Chem. 92 (4): 337–340. https://doi.org/10.1139/cjc-2013-0577