生物正交反应在我国的研究进展

生物正交反应是指能够在生物体系中进行、且不会与天然生物化学过程相互干扰的一类化学反应.这类反应的出现为科学家对生命进程的原位研究带来了革命性的技术,已经成为化学生物学这一新兴交叉领域的核心方向之一.自这一概念提出的近二十年里,生物正交化学经历了反应类型由单一的"偶联反应"向成键偶联、断键剪切反应并重,应用场景由简单的活细胞体系向更为复杂的生物活体升级的一系列发展历程.同时,在生命科学研究、医药研发、临床诊疗等多个领域展示出了广阔的应用前景.我国化学生物学领域的学者们积极参与并推动了生物正交反应的快速发展,在反应开发、体系优化和实际应用等方面开展了一系列原创工作,取得了瞩目的成绩;尤其是在"生物正交剪切反应"概念的提出与开发应用等方面产生了重要的国际影响.本综述中,分别按照金属介导、光介导和化学小分子介导的生物正交偶联反应以及生物正交剪切反应,对近五年来我国学者在该领域的代表性成果进行系统介绍.最后对生物正交反应的进一步发展与应用加以展望.我们期待更多高效、兼容的生物正交反应得以发展,并提出"遥控生物正交化学"的未来发展目标,期待更多的化学家能够加入生物正交反应的开发拓展与应用探索当中.     

生物正交剪切反应及其应用

生物正交反应在化学生物学的研究中发挥着越来越重要的作用.传统的生物正交反应以新化学键生成的连接反应为主,其在实现生物分子的“标记”、“示踪”和“捕捉”等研究中发挥着重要作用.近年来,一类新兴的反应类型--以化学键断裂为基础的生物正交剪切反应逐渐发展起来,并在分子的“释放”、“激活”和“操控”等方面得到了越来越广泛的应用.本文首先重点介绍了生物正交剪切反应,总结了这些反应的特点、适用范围和已经实现的用途.随后通过具体的例子介绍了这些反应在化学生物学中的应用,包括小分子前药的激活、蛋白质功能的调控、细胞的工程化等.最后文章对生物正交剪切反应的发展趋势进行了展望.     

生物正交标记反应研究进展

对活体生物大分子进行特异性标记是一项具有挑战性的工作, 它要求这类化学反应能够在生理条件下高效特异地进行, 不会与生物体系中存在的各种活性物质发生副反应. 最近十几年开发的生物正交反应能够比较好地满足这些要求, 它们在生物分子标记方面的应用拓展了我们对细胞内生物体系的理解. 主要介绍那些应用广泛且可以用于活体细胞标记的生物正交反应. 重点介绍通过位点特异性引入生物正交官能团来进行选择性标记细胞内目标蛋白质的策略. 同时, 我们根据使用催化剂类型对这些生物正交反应进行分类, 并且列表比较它们的差异, 以便于研究者挑选合适的反应. 最后对生物正交反应的开发和进一步应用进行了展望.     

基于非天然氨基酸的蛋白质生物正交标记

生物正交化学反应正日益成为在活体内对生物大分子进行特异标记的一种有效方法. 最近涌现出的一个突出的例子是将金属钯催化的碳碳偶联反应这一在有机合成领域具有里程碑意义的反应拓展到生物大分子的标记上. 在活细胞上进行生物正交反应的一个先决条件是需要将参与这类反应的正交官能团特异地引入到目标生物大分子当中. 遗传密码子拓展技术是将多种生物正交活性基团引入到蛋白质当中的一种先进的手段; 最近发展出的基于吡咯赖氨酸氨酰合成酶和tRNA的体系能够将携带有生物正交官能团的非天然氨基酸有效地引入到原核生物、真核生物, 甚至是动物体内的蛋白质上. 在这一展望中, 我们首先介绍在生物正交反应和遗传密码子拓展这两个领域内的研究前沿与进展. 接着我们将讨论将这些新发展的研究工具, 尤其是基于钯催化的生物正交反应和基于吡咯赖氨酸氨酰合成酶的遗传密码子拓展技术, 应用于标记和修饰哺乳动物细胞蛋白质上的优势和诱人前景. 生物相兼容性更好的正交反应和更为灵活的非天然氨基酸引入技术必将有力地增强和拓宽人们在活细胞环境下特异操纵蛋白质的能力.     

可见光引发的生物大分子相容的脱硼炔基化反应

正J.Am.Chem.Soc.2014,136,2280~2283在生物体系中进行的生物相容的成键与断键反应有助于在分子水平研究生物体系.由于生物体系富含氨基酸、核苷酸、糖、核酸、蛋白质等多种生物分子,生物相容的反应需要在中性水溶液中进行,并且需要具有优秀的化学选择性与生物分子的多样反应性官能团相容.中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室的陈以昀课题组近期发展了可见光引发的生物大分子相容的脱硼炔基化反应.硼酸能在中性水溶液中稳定存在,其较小的     

生物分子的单分子检测研究

本文评述了生物单分子检测的方法及其在生物大分子结构与功能之间的关系、酶的活性、反应动力学、分子构象、DNA和RNA的转录、蛋白质折叠等生物学重要问题研究上的应用。对生物单分子检测技术这一研究领域的发展趋势作了展望。     

基于Diels-Alder生物正交反应的蛋白质快速位点特异性标记方法

蛋白质的位点特异性修饰近年来取得了重要进展. 本文对该领域新近发展的利用高张力烯烃或炔烃与四嗪类化合物的Diels-Alder生物正交反应, 通过基因编码的方式在蛋白质中位点特异性地插入其中一个组分, 从而实现蛋白质的快速荧光标记进行了介绍.     

分子模拟在生物传感器研究中的应用

分子模拟通常包括以量子力学和经典力学为基础的两部分,依赖于计算机的大量运算能力。其飞速发展渗透和推动了包括工程类学科以及化学、生物学等许多学科的发展。生物传感器是一个多学科交叉的研究热点.本文以计算机模拟研究中与生物传感器有关的内容作为切入点,简要介绍了计算机模拟技术的原理及生物敏感分子吸附和设计筛选、特异性生物反应过程的原理和优化等方面的研究成果,为应用计算机技术推动生物传感器的开发和应用提供了一些新的思路。     

赖氨酸翻译后修饰蛋白质的化学(半)合成及其应用

天然蛋白质的翻译后修饰是表观遗传学的重要研究方向之一.最近几年,新型赖氨酸翻译后修饰模式的发现及其对染色体结构和基因转录的重大调控作用是表观遗传学研究重点之一,引起了生物学家的广泛关注.目前发展了一系列含有特定赖氨酸翻译后修饰蛋白质的制备新方法.系统总结了制备含有新型赖氨酸翻译后修饰蛋白质的最新化学生物学方法,包括生物正交反应策略、非天然氨基酸引入策略、"非天然氨基酸修饰法"策略等,并讨论其优缺点及应用前景.     

基于电感耦合等离子体质谱的生物分析

ESI/MALDI-MS在生物分子结构鉴定方面的优势是ICP-MS无法匹敌的;另一方面,针对生物分子的定量分析,ICP-MS因化学选择性和生物特异性元素标记策略的发展而极具优势。它们的联合使用必将为生物分析(特别是定量蛋白质组学和金属组学研究)提供解决问题的新途径,这时我们需要一个化学集成器(chemical hub)针对目标生物分子或细胞正交集成运用ESI/MALDI-MS和ICP-MS而不是简单地物理平行使用,使得ICP-MS知道定量的是何种生物分子或细胞,这对未知生物分子或细胞的发现和绝对定量十分重要。     

线上线下混合式-六环节实验教学实践与探索——以化学生物学实验"基于生物正交反应的蛋白质标记"为例

化学生物学综合实验是针对化学生物学专业高年级本科生开设的一门衔接本科-硕士教学的综合性实验课程。本文以“基于生物正交反应的蛋白质标记”科研融合型实验为例,结合化学生物学学科特点,将实验教学内容模块化,探索设计线上线下混合式-六环节教学方式,应用于本科生综合实验教学。经实践取得良好的教学效果,为综合型实验课程教学提供了参考与借鉴。     

化学生物学中光敏分子微阵列的表面构建与应用

分子微阵列是有机合成（特别是组合化学合成）方法应用于生物和医学研究而发展起来的高科技集成技术,通过把微电子、微加工技术和有机化学合成反应相结合,在固体基质（如硅片、玻片、瓷片等）表面构建微型的生物有机化学分子系统,以实现对细胞、蛋白质、核酸及其他生物组分进行快速、敏感、高效地处理．近年来,随着表面化学构建策略研究的不断深入和迅猛发展,分子微阵列技术的应用领域不断拓展,已从最初用于核酸分子的杂交测序延伸到基因组功能研究的各个方面．本文着重综述了光敏分子微阵列的表面化学构建策略研究及其在化学生物学分析中应用的最新进展,并展望了其发展的未来趋势．内容主要包括：小分子与多肽分子微阵列、蛋白质分子微阵列、核酸分子微阵列和糖分子微阵列等．     

蛋白质的化学全合成

含有非天然氨基酸的蛋白质（如翻译后修饰蛋白质、修饰有探针分子的蛋白质等）是化学生物学中重要的生理活性分子。这些分子难以通过生物表达来获取，而必须使用化学方法来合成。半胱氨酸肽片段连接方法是目前应用于蛋白质化学全合成中的一种重要方法，该方法能够在温和的水溶液中高效地实现肽片段的连接，从而生成天然或者非天然的蛋白质。本文系统地综述了半胱氨酸肽片段连接方法的基本原理，详细讨论了近年来人们对该方法的一些重要改进。最后又介绍了该方法在几类重要的蛋白质分子合成中的代表性应用。     

科学家首次用小分子钯催化剂激活特定蛋白质

<正>近期,北京大学化学与分子工程学院陈鹏课题组首次利用小分子钯催化剂激活了活细胞内的特定蛋白质,相关研究成果在线发表于《自然-化学》杂志。利用化学小分子调控生物大分子是化学与生命科学交叉领域内受到长期关注的问题,而如何在活体环境下实现高度特异的调控是目前面临的最大挑战之一。陈鹏课题组将基于钯催化剂的"脱保护反应"与非天然氨基酸定点插入技术相结合,通过优化生物相容的小分子钯催化剂和化学保护基团,成功发展了一种活细胞内的普适性蛋白质激活技术。     

转肽酶Sortase A在蛋白质修饰中的应用

近年来,发展蛋白质与多肽的化学选择性连接与修饰方法已成为化学生物学的研究热点。这类方法可以在很大程度上弥补基因工程技术无法制备翻译后修饰蛋白与人工改造蛋白的缺陷,得到目前无法通过生物表达的功能蛋白。20世纪90年代末,人们从金黄色葡萄球菌中分离得到转肽酶Sortase A,它能够选择性识别特异性多肽序列LPXTG,并在特定位点切断氨基酸的肽键进而将其与一个新的肽链连接。该特性使Sortase A有望成为一种高效、通用的蛋白质修饰的工具。与传统的化学合成相比,Sortase催化的化学半合成方法,可以较好的解决化学合成蛋白的尺寸问题。本文就近年来Sortase A在蛋白质修饰及合成中的研究进展进行简要综述。     

化学生物学解析疾病中O-GlcNAc糖基化功能:研究工具与策略

O-连接β-N-乙酰葡糖胺(O-GlcNAc)糖基化是广泛存在于蛋白质丝/苏氨酸残基的翻译后修饰.这一动态、可逆单糖修饰以位点特异性方式影响底物蛋白的结构和生物学功能,参与调控几乎所有细胞生理过程和重大疾病的演进过程.随着研究深入,O-GlcNAc糖基化生物功能的系统解析需要更多特异、精准的研究工具和糖蛋白质组学研究策略.近年来,化学生物学领域开发了包括小分子糖探针、生物正交糖代谢标记物、化学酶法、特异性抗体和凝集素等多种O-GlcNAc糖基化分析工具和方法,以此为基础进一步发展了O-GlcNAc糖蛋白质组学研究策略.同时,借助高分辨质谱,大量蛋白质O-GlcNAc修饰位点得以鉴定,极大促进了位点特异性O-GlcNAc的生物功能研究.本文综述了近年来这一领域的研究进展,以期为更多化学工具的开发提供依据,为揭示O-GlcNAc糖基化在疾病演进中的功能提供新的研究思路和策略.     

生物正交反应法制备含有赖氨酸翻译后修饰类似物的蛋白质

翻译后修饰一直是表观遗传学的重要研究内容,尤其是近年来多种新型天然蛋白质中翻译后修饰被发现广泛存在于蛋白质组中。细胞生物学证明这些翻译后修饰对染色体结构和基因转录功能有关,但是其中具体的分子生物学机制还处于未知状态。为了后续的进一步研究,人们需要发展制备方法以求获取足量具有特定翻译后修饰的蛋白质。本文将讨论利用生物正交反应的手段制备含有这些新型赖氨酸翻译后修饰的蛋白的探索,期对教学与科研有助。     

基于大科学装置的纳米材料与生物分子相互作用的分析

纳米材料与生物分子的相互作用直接影响着纳米材料的体内行为、状态与生物学效应,建立和发展可靠的分析方法以表征两者的相互作用非常必要.本文围绕纳米材料与蛋白质、脂类等重要生物分子作用过程的科学问题如作用分子类型的鉴定与相对丰度的测量、作用方式与界面结构,重点介绍基于同步辐射与散裂中子源等大科学装置的前沿分析方法在相关领域的应用,概述了相关分析方法的优势与先进性,为纳米生物效应研究、纳米医学应用的研究等提供了重要分析手段.最后,展望了新一代光源助力于纳米材料与生物分子作用研究的前景.     

无序蛋白质在生物分子凝聚相形成与调控中的作用

生物分子凝聚形成生物体内的多种无膜细胞器,其独特的物理化学性质使其具有多样的生物学功能,包括感知外界环境的变化、调节蛋白在细胞内的浓度、调控信号转导途径以及选择性富集特定蛋白质和RNA等。同时,生物分子凝聚相的错误形成与调控会导致多种人类疾病,如神经退行性疾病、癌症和病毒性疾病等。无序蛋白质在生物分子凝聚相的形成和调控中发挥了重要作用。本文通过总结分析无序蛋白在生物分子凝聚相形成中的作用以及化学小分子对生物分子凝聚相的调控,探讨了通过靶向无序蛋白进行配体设计来获得调控生物分子凝聚相化学探针及药物的可能性,并展望了揭示无序蛋白及化学分子调控生物凝聚相机制应重点关注的问题。     

生物特异性功能高分子

模仿天然生物活性高分子关键作用点的化学组成，在高分子链上接上各种官能团或化学残基，制备具有与该天然高分子相似生物活性的高分子，即生物特异性功能高分子。本文主要介绍拟肝素高分子和似粘连 蛋白高分子两种生物特异性功能高分子。