【CEM】自動化正交脫保護Glu(OAllyl)及通過內酰胺化進行肽環化

更新時間：2024-10-10 點擊次數：955

一、摘要

在Liberty Blue^TM自動化微波肽合成儀上，可以輕松進行Glu(OAllyl)的正交脫保護和通過內酰胺化實現的肽環化。成功合成了HIV-1抗體表位gp41_659-671和Afamelanotide的分支及內酰胺環化變體。四種肽的純度均在80%到87%之間，每次合成僅需3到3.5小時，且僅產生700到750 mL的總廢物。

二、引言

肽鏈側鏈官能團化技術，如生物偶聯、分支和環化，是藥物開發、醫學成像、材料研究等領域中不可或缶夬的重要工具。^1-4許多氨基酸殘基都可以作為側鏈官能團化的位點，其中就包括谷氨酸。

為了順利實現側鏈官能團化，必須為相關殘基配備適當的正交保護基，該保護基能夠在肽鏈其余部分不受影響的情況下容易地進行選擇性脫保護。對于谷氨酸，常用的保護基是烯丙酯（OAllyl），其脫保護過程需要催化量的Pd(0)和苯基硅烷參與。

圖1: Fmoc-Glu(OAllyl)-OH

為了展示Liberty Blue自動化肽合成儀高效合成和官能化肽鏈的能力，我們合成了HIV-1抗體表位gp41_659-671（ELLELDKWASLWN）和Afamelanotide（Ac-SYSNleEHDFRWGKPV-NH₂）的分支型和內酰胺環化變體。對于分支型變體，我們將H-Ala-OtBu與正交脫保護的Glu側鏈進行偶聯。而對于環化變體，我們在線性合成過程中引入了Lys(Alloc)，并在進行內酰胺環化之前，同時對其進行脫保護。

三、材料與方法

試劑

Fmoc-Glu(OAllyl)-OH、Fmoc-Lys(Alloc)-OH、Fmoc-Nle-OH、Fmoc-D-Phe-OH 以及 H-Ala-OtBu • HCl（使用前為游離態）均購自 Novabiochem-MilliporeSigma（馬薩諸塞州伯靈頓）。其他氨基酸均購自 CEM Corporation（北卡羅來納州馬修斯），并包含以下側鏈保護基團：Asn(Trt)、Asp(OMpe)、Arg(Pbf)、Glu(OtBu)、His(Boc)、Lys(Boc)、Ser(tBu) 和 Tyr(tBu)。Oxyma Pure 和 Rink Amide ProTide^TM LL 樹脂也購自 CEM Corporation（北卡羅來納州馬修斯）。N,N-二異丙基碳二亞胺（DIC）和羥基苯并三唑（HOBt）購自 CreoSalus（肯塔基州路易斯維爾）。哌啶購自 Alfa Aesar（馬薩諸塞州沃德希爾）。苯基硅烷、四（三苯基膦）合鈀(0)、乙酸酐、三氟乙酉夋（TFA）、3,6-二氧雜辛烷-1,8-二硫醇（DODT）、三異丙基硅烷（TIS）和乙酸均購自 Sigma-Aldrich（密蘇里州圣路易斯）。二氯甲烷（DCM）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和無水乙酉迷（Et₂O）均購自 VWR（賓夕法尼亞州西切斯特）。高效液相色譜（HPLC）級水（H₂O）和高效液相色譜（HPLC）級乙腈（MeCN）均購自 Fisher Scientific（馬薩諸塞州沃爾瑟姆）。

肽鏈的合成采用0.1 mmol規模，使用CEM Liberty Blue自動化微波肽合成儀在0.556克Rink Amide ProTide LL樹脂（0.18 meq/g取代度）上進行。脫保護反應使用20%哌啶和0.1 M Oxyma Pure在DMF中進行。偶聯反應使用5倍過量的Fmoc-AA-OH、1.0 M DIC在DMF中以及1.0 M Oxyma Pure在DMF中進行。Alloc脫保護反應使用0.025 M Pd(PPh₃)₄在DCM中以及0.50 M苯基硅烷在DCM中進行。通過內酰胺化進行肽鏈環化反應，使用含0.34 M DIC和0.17 M HOBt的DMF溶液進行。切割反應使用CEM Razor^TM高通量肽切割系統，采用92.5:2.5:2.5:2.5 TFA/H₂O/TIS/DODT比例進行。切割后，將肽鏈在Et₂O中沉淀并過夜凍干。

注意：這些Alloc脫保護方法所需的鈀量比下一節所述方法少，但加熱時間更長。

肽鏈的合成采用0.1 mmol規模，使用CEM Liberty Blue自動化微波肽合成儀在0.556克Rink Amide ProTide LL樹脂（0.18 meq/g取代度）上進行。脫保護反應使用20%哌啶和0.1 M Oxyma Pure在DMF中進行。偶聯反應使用5倍過量的Fmoc-AA-OH、1.0 M DIC在DMF中以及1.0 M Oxyma Pure在DMF中進行。⁵Alloc脫保護反應使用0.0312 M Pd(PPh₃)₄在DCM中以及0.750 M苯基硅烷在DCM中進行。通過內酰胺化進行肽鏈環化反應，使用含0.34 M DIC和0.17 M HOBt的DMF溶液進行。N端乙酰化反應使用10%乙酸酐在DMF中進行。切割反應使用CEM Razor高通量肽切割系統，采用92.5:2.5:2.5:2.5 TFA/H₂O/TIS/DODT比例進行。切割后，將肽鏈在Et₂O中沉淀并過夜凍干。

注意：這些Alloc脫保護方法所需的鈀當量比前一節所述方法多，但加熱時間較短。

肽鏈與氨基酸偶聯：

將脫保護液（4 mL）加入含有肽的反應容器中，并在90℃下微波照射1分鐘。脫保護完成后，用DMF洗滌肽（4 x 4 mL）。然后，向反應容器中加入氨基酸（2.5 mL）、DIC（1 mL）和Oxyma Pure（0.5 mL），在90℃下微波照射2分鐘。反應完成后，排空反應容器，為下一次偶聯反應準備肽。

肽鏈與Glu(OAllyl)偶聯：

將脫保護液（4 mL）加入含有肽的反應容器中，并在90℃下微波照射1分鐘。脫保護完成后，用DMF洗滌肽（4 x 4 mL）。然后，向反應容器中加入氨基酸（2.5 mL）、DIC（1 mL）和Oxyma Pure（0.5 mL），在90℃下微波照射2分鐘。反應完成后，排空反應容器，為Glu(OAllyl)脫保護準備肽。

注意：在Glu(OAllyl)引入后，必須立即進行脫保護和功能化處理，以防止因焦谷氨酸形成而導致的非預期封端。

Glu(OAllyl)脫保護：⁶

用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），然后用DCM洗滌（4 x 4 mL）。接著，向反應容器中加入0.500 M苯基硅烷在DCM中的溶液（3 mL）。等待90秒后，向反應容器中加入0.025 M Pd(PPh₃)₄在DCM中的溶液（1 mL），并在30°C下微波照射12分鐘。反應完成后，排空反應容器并用DCM洗滌肽（4 x 4 mL）。重復此步驟兩次。完成后，進行兩個洗滌操作（4 mL），并用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），為側鏈偶聯準備肽。

側鏈偶聯：

向反應容器中加入氨基酸（H-Ala-OtBu, 2.5 mL）、DIC（1 mL）和Oxyma Pure（0.5 mL），并在90℃下微波照射4分鐘。然后排空反應容器，并加入額外的氨基酸（H-Ala-OtBu, 2.5 mL）、DIC（1 mL）和Oxyma Pure（0.5 mL）。在90℃下再微波照射4分鐘。反應完成后，排空反應容器，為下一次偶聯反應準備肽。

肽鏈與氨基酸偶聯：

肽鏈與Glu(OAllyl)偶聯：

將脫保護液（4 mL）加入含有肽的反應容器中，并在90℃下微波照射1分鐘。脫保護完成后，用DMF洗滌肽（4 x 4 mL）。然后，向反應容器中加入氨基酸（2.5 mL）、DIC（1 mL）和Oxyma Pure（0.5 mL），在90℃下微波照射2分鐘。反應完成后，排空反應容器，為Glu(OAllyl)和Lys(Alloc)脫保護準備肽。

注意：在Glu(OAllyl)引入后，必須立即進行脫保護和功能化處理，以防止因焦谷氨酸形成而導致的非預期封端。

同時Glu(OAllyl)和Lys(Alloc)脫保護：⁶

用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），然后用DCM洗滌（4 x 4 mL）。接著，向反應容器中加入0.500 M苯基硅烷在DCM中的溶液（3 mL）。等待90秒后，向反應容器中加入0.025 M Pd(PPh₃)₄在DCM中的溶液（2 mL），并在30°C下微波照射12分鐘。反應完成后，排空反應容器并用DCM洗滌肽（4 x 4 mL）。重復此步驟兩次。完成后，進行兩個洗滌操作（4 mL），并用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），為通過內酰胺化進行側鏈環化準備肽。

通過內酰胺化進行側鏈環化：

將0.34 M DIC和0.17 M HOBt在DMF中的溶液（8 mL）加入反應容器中，并在90℃下微波照射10分鐘。然后排空反應容器。此步驟重復兩次。完成后，用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），為下一次偶聯反應準備肽。

肽鏈與氨基酸偶聯：

肽鏈與Glu(OAllyl)偶聯：

注意：在Glu(OAllyl)引入后，必須立即進行脫保護和功能化處理，以防止因焦谷氨酸形成而導致的非預期封端。

Glu(OAllyl)脫保護：⁶

用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），然后用DCM洗滌（4 x 4 mL）。接著，向反應容器中加入0.750 M苯基硅烷在DCM中的溶液（2 mL）。等待90秒后，向反應容器中加入0.0312 M Pd(PPh3)4在DCM中的溶液（8 mL），并在35℃下微波照射5分鐘。反應完成后，排空反應容器并用DCM洗滌肽（4 x 4 mL）。重復此步驟一次。完成后，進行兩個洗滌操作（4 mL），并用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），為側鏈偶聯準備肽。

側鏈偶聯：

向反應容器中加入氨基酸（H-Ala-OtBu, 2.5 mL）、DIC（1 mL）和Oxyma Pure（0.5 mL），在90℃下微波照射4分鐘。然后排空反應容器，并加入額外的氨基酸（H-Ala-OtBu, 2.5 mL）、DIC（1 mL）和Oxyma Pure（0.5 mL）。溶液再次在90℃下微波照射4分鐘。反應完成后，排空反應容器，為下一次偶聯反應準備肽。

肽鏈與氨基酸偶聯：

N-末端乙酰化：⁷

將脫保護液（4 mL）加入含有肽的反應容器中，并在90℃下微波照射1分鐘。脫保護完成后，用DMF洗滌肽（4 x 4 mL）。然后，向反應容器中加入10% v/v乙酸酐在DMF中的溶液（4 mL），在65℃下微波照射2分鐘。反應完成后，排空反應容器并進行洗滌操作（4 mL）。用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），為肽的切割準備。

肽鏈與氨基酸偶聯：

肽鏈與Glu(OAllyl)偶聯：

注意：在Glu(OAllyl)引入后，必須立即進行脫保護和功能化處理，以防止因焦谷氨酸形成而導致的非預期封端。

同時進行Glu(OAllyl)和Lys(Alloc)的脫保護：⁶

用DMF（4 x 4 mL）洗滌肽，然后用DCM（4 x 4 mL）洗滌。接著，向反應容器中加入0.750 M苯基硅烷在DCM中的溶液（2 mL）。等待90秒后，向反應容器中加入0.0312 M Pd(PPh₃)₄在DCM中的溶液（8 mL），并在35℃下微波照射5分鐘。反應完成后，排空反應容器并用DCM（4 x 4 mL）洗滌肽。此步驟再重復一次。完成后，進行兩次洗滌操作（4 mL），并用DMF（4 x 4 mL）洗滌肽，為通過內酰胺化進行側鏈環化準備肽。

通過內酰胺化進行側鏈環化：

將0.34 M DIC和0.17 M HOBt在DMF中的溶液（8 mL）加入反應容器中，并在90℃下微波照射10分鐘。然后排空反應容器。此步驟再重復兩次。完成后，用DMF洗滌肽（4 x 4 mL），為下一次偶聯反應準備肽。

肽鏈與氨基酸偶聯：

N-末端乙酰化：⁷

四、肽分析

使用配備PDA檢測器的Waters Acqity UPLC系統對肽進行分析，該系統配有一根Acquity UPLC BEH C8色譜柱（1.7微米，2.1 x 100毫米）。UPLC系統連接到Waters 3100 Single Quad MS進行結構測定。峰分析在Waters MassLynx軟件上完成。分離通過梯度洗脫進行，流動相為0.1% TFA在(i) H₂O和(ii) MeCN中。

五、結果

在Liberty Blue自動化微波肽合成儀上，通過微波增強的固相肽合成（SPPS）制備的Glu分支型HIV-1抗體表位gp41_659–671的目標肽純度為82%（圖2）。在Liberty Blue自動化微波肽合成儀上，通過微波增強的固相肽合成（SPPS）制備的內酰胺環化型HIV-1抗體表位gp41_659–671的目標肽純度為87%（圖3）。在Liberty Blue自動化微波肽合成儀上，通過微波增強的固相肽合成（SPPS）制備的Glu分支型阿法美拉肽的目標肽純度為85%（圖4）。在Liberty Blue自動化微波肽合成儀上，通過微波增強的固相肽合成（SPPS）制備的內酰胺環化型阿法美拉肽的目標肽純度為80%（圖5）。

圖2：Glu分支型HIV-1抗體表位gp41_659–671的UPLC色譜圖

圖3：內酰胺環化型HIV-1抗體表位gp41_659–671的UPLC色譜圖

圖4：Glu分支型阿法美拉肽的UPLC色譜圖

圖5：內酰胺環化型阿法美拉肽的UPLC色譜圖

五、結果

Liberty Blue自動化肽合成儀能夠簡便高效地合成各種功能化的肽。通過執行自動化正交脫保護（及其相關的合成操作），我們合成了HIV-1抗體表位gp41_659–671和阿法美拉肽的分支型和內酰胺環化型變體。這四種肽的純度在80%到87%之間，每個合成過程需要3到3.5小時，每次合成只產生700到750 mL的總廢物。

六、引用

(1) Krall, N.; da Cruz, F. P.; Boutureira, O.; Bernardes, G. J. L. Nat. Chem.2016, 8, 103–113.

(2) Boutureira, O.; Bernardes, G. J. L. Chem. Rev. 2015, 115, 2174–2195.

(3) Nielsen, D. S.; Shepherd, N. E.; Xu, W.; Lucke, A. J.; Stoermer, M. J.Fairlie, D. P. Chem. Rev. 2017, 117, 8094–8128.

(4) Wynn, J. E.; Zhang, W.; Falkinham, III, J. O.; Santos, W. L. ACS Med.Chem. Lett. 2017, 8, 820–823

(5) CEM Application Note (AP0124) - “CarboMAX - Enhanced Peptide Coupling at Elevated Temperature."

(6) Automated Alloc-deprotection adapted from: Wilson, K. R.; Sedberry,S.; Pescatore, R.; Vinton, D.; Love, B.; Ballard, S.; Wham, B. C.;Hutchison, S. K.; Williamson, E. J. J. Pep. Sci. 2016, 22, 622–627.

(7) CEM Application Note (AP0114) - “Automated N-Terminal Acetylation."