分享一篇发表在Nature Chemistry上的论文，题目为“Genetically encoded bioorthogonal tryptophan decaging in living cells”，通讯作者是浙江大学的林世贤教授，北京大学的樊新元教授与陈鹏教授。林世贤课题组与陈鹏/樊新元课题组的研究方向主要涉及化学生物学领域。
色氨酸具有独特的吲哚结构，它可以通过π相互作用和吲哚N-H基团的氢键相互作用以及与金属的配位作用在蛋白质结构、相互作用和功能的调节中发挥重要作用。然而，在活体系统中建立一种通用的调控平台—调控含有色氨酸的蛋白从而调控其功能，仍然具有一定的挑战性。特异性的生物正交激活可以将蛋白由caged氨基酸通过生物正交脱笼恢复为天然状态，从而为探究和控制蛋白质功能提供了一种强大工具。因此，为了实现在活细胞中操纵含有色氨酸蛋白功能，其首要任务是开发一种色氨酸cage与decage的生物正交化学方法。然而，主要的化学困难在于缺乏一个合适的保护基团，它能有效地同时屏蔽吲哚基团的N-H基团和π体系，以掩蔽各种色氨酸相互作用。此外，保护基团应该尽可能小，以确保保护基团本身对蛋白功能没有额外的干扰。共轭效应可以使分子轨道离域，从而降低了轨道能量，因此作者推断在吲哚的氮位引入额外的π体系可以削弱吲哚环的π能量，从而阻止N-H基团作用和π相互作用。作者将最小的π取代基乙烯基连接到色氨酸的吲哚氮原子上，设计了Trp-Cage得到了N1-乙烯基色氨酸(VyW)。接下来作者进一步探索了Trp-CAGE设计的decage化学反应。受到四嗪与与双烯体之间的逆电子需求Diels-Alder反应的启发，作者设想具有高吸电子的四嗪可能会触发相对惰性的乙烯基的decage，通过测试发现3,6-联吡啶四嗪(Tz4)给出了最高产率，可实现VyW向色氨酸的无痕转化。作者在此基础上对脱笼试剂进行优化，获得了取代基较小的四嗪化合物，能够在短时间内实现80%的脱笼产率。接下来，作者通过遗传密码扩展技术将笼化的色氨酸位点特异性地引入到感兴趣蛋白质中。首先，作者通过筛选与理性设计获得了对应的氨酰化tRNA合成酶(aaRS)，可以将VyW高效地掺入蛋白质中。然后作者将该平台应用于各种蛋白激活的调控。作者首先建立了算法来预测含有关键色氨酸的候选蛋白，获得了超过28,000个候选蛋白。作者在其中挑选了激酶、荧光蛋白、过氧化氢酶、翻译起始因子、翻译后修饰reader进行了功能的精准调控。总之，本文基于色氨酸cage与decage的生物正交化学方法可以在活细胞上实现特异性激活蛋白上的关键色氨酸，以进行色氨酸相互作用介导的生物过程的功能研究。原文链接: https://www.nature.com/articles/s41557-024-01463-7文章引用: https://doi.org/10.1038/s41557-024-01463-7
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