01
研究背景
光亲和标记 (PAL) 作为一种前沿的药物发现策略，它巧妙地运用光化学探针，能够在原位光激活下将药物分子共价偶联到靶点。该方法能够实现在细胞或生物体内的直接标记和新的药物靶点鉴定，为阐明药物分子与蛋白质之间的相互作用提供了强有力的工具。自光亲和标记技术开发以来，光交联试剂及其应用已经得到了诸多发展，常用的探针结构如双丫丙啶、芳基叠氮、二苯甲酮、邻硝基苄醇、四唑等均表现出独特的光化学行为。然而仍存在一些局限：(一) 中间体的寿命；(二) 目标氨基酸偏好性；(三) 较短的光激发波长；因此，在确保分子体积小巧的前提下，开发能够被可见光甚至更长波长光激活的分子结构，并探索其交联能力，仍然值得进一步探索和扩展 (图1)。
图1 广泛使用的光交联分子和作者开发的分子骨架。
02
研究内容
近日，四川大学苏志珊教授团队、余志鹏教授团队在第一代间三氟甲基苯胺结构的基础上，开发了基于三氟甲基吩噁嗪胺的光脱氟酰氟交换系统 (photo-DAFEx)，并将 photo-DAFEx 反应的激发波长 (λex.) 扩展到了可见光区域 (405 nm)，实现了光亲和探针的多功能设计，并应用于验证药物-靶标相互作用。
为了发展更长波长激活的光脱氟/酰氟交换系统 (photo-DAFEx，图 2a)。作者扩展了三氟甲基苯胺化合物库，提出了三氟甲基试剂波长/分子尺寸比值的概念。设计并合成了四类分子骨架 (图 2b)，主要包括基于单苯环、联苯、吲哚、喹啉、咔唑、萘环、吩噻嗪、吩噁嗪等一系列潜在的光脱氟试剂。筛选结果表明，在两分钟 405 nm 光照射下三氟甲基吩噁嗪胺结构单元 (4e) 能够在水相条件下实现可见光 (405 nm) 的激活并发生光脱氟，进而与苄胺能够进行高效的酰氟交换反应，且可以很方便融合生物正交报告基团 (图 2c)。
图2 photo-DAFEx 反应筛选。a) photo-DAFEx 反应式。b) 四类化合物分子库，括号内为分子范德华体积 (Å3)。c) HPLC-MS 筛选结果。紫色热图表示波长/分子体积 r 值 (nm Å-3)，蓝色热图表示光脱氟步骤的量子效率。
鉴于这些光脱氟试剂的结构敏感性，作者分类研究了它们的紫外-可见吸收光谱 (UV-Vis, 图 3a)。揭示了可见光脱氟试剂在很大程度上取决于其在可见光区域的显著吸收和发色团单元的性质，以及胺基取代基相对于三氟甲基取代的精确定位。更重要的是，该 photo-DAFEx 反应也展现出荧光开启的特性 (图 3b)，这将为成像或示踪应用提供更多的可能。
图3 a) 三氟甲基芳胺的紫外-可见吸光度光谱；b) 光脱氟酰氟交换反应的荧光开启；c) TD-DFT计算自然过度轨道 (NTO) 以及 NBO 结果；d) 三氟甲基吩噁嗪试剂 C(sp3)-F 键的光脱氟机制。
随后，为了阐明吩噁嗪结构单元在可见光区域吸收方面的独特性，作者进行了 (TD) DFT计算，研究了 4h 的 S0→S1 激发特征。自然跃迁轨道 (NTO) 分析结果表明 (图 3c)，4h 的 S0→S1 激发对应波长为 341 nm，属于 n-π* 型激发，并伴有 365-405nm 的吸收带。同时观察到末端胺基氮原子的孤对电子与 ArCF3 之间存在显著的 p-π* 相互作用，使得其吸收光谱发生红移且三氟甲基中 C(sp3)-F 键被有效活化。结合理论计算，作者提出一种水分子介导的氢键协助三氟甲基吩噁嗪的光脱氟机理，阐明了光激发及水分子氢键作用对 C-F 键活化的重要性 (图 3d)。
为了验证可见波 photo-DAFEx 反应的应用价值，作者们设计了两类小分子-靶标蛋白的光亲和标记模型 (图 4a)。首先针对碳酸酐酶 Ⅱ (hCA-Ⅱ)，设计、合成了两种磺酰胺 -4h 光亲和探针 P1 和 P2 (图 4b)，通过 405 nm 光诱导的光亲和标记评估了这些探针对 hCA Ⅱ 的抑制效果 (图 4d-4f)，研究结果表明，设计的 hCA Ⅱ 探针即使在大肠杆菌裂解液复杂生物环境下，仍具有很好的兼容性与很高的靶向特异性(图 4g)。
图4 a) 光亲和标记 (PAL) 概念图。b) 靶向 hCA Ⅱ 的 photo-DAFEx 探针结构。c) HPLC-MS 分析 4h 与天然氨基酸偏好性。d) 探针的 hCA Ⅱ 的酶活性与抑制剂浓度的关系图。e) 反卷积质谱鉴定 PAL 探针光交联了的 hCA-Ⅱ。f) PAL后分离的 hCA-Ⅱ 的 SDS-PAGE 凝胶荧光和考马斯亮蓝染色图。g) 大肠杆菌裂解液中对 hCA-Ⅱ 的 PAL 的 SDS-PAGE 成像分析。
此外，为了探索可见光脱氟/酰氟交换反应 (photo-DAFEx) 的多功能性，作者也通过在三氟甲基吩噁嗪 4h 骨架上引入 BRD4 蛋白的小分子竞争抑制剂 (+)-JQ1，设计了两个 BRD4 蛋白靶向的光亲和标记 (PAL) 探针 P3 和 P4 (图 5a)。它们在细菌裂解液中仍然可以有效实现高选择性可见光诱导的光亲和标记 (图 5c)。
图5 a) (+)-JQ1 与 BRD4 的共晶结构，以及两个 (+)-JQ1-4h 探针的结构。b) PAL 后分离的 BRD4 的 SDS-PAGE 凝胶内荧光和 CBB 染色成像。c) 大肠杆菌裂解液中对 BRD4 的 PAL 的 SDS-PAGE 成像分析。共晶结构中赖氨酸 Cγ 位点与 (+)-JQ1 酯上氧原子之间的空间距离。
03
总结展望
在国家自然科学基金项目资助下，四川大学苏志珊教授团队、余志鹏教授团队成功开发了一类基于三氟甲基吩噁嗪骨架的可见光诱导的光脱氟/酰氟交换系统 (photo-DAFEx)，该系统可以在 405 nm 的光激发下引发 C(sp3)-F 键断裂，产生稳定且长寿命的酰氟中间体，与生物体内靶蛋白赖氨酸残基的高选择性共价连接。作者验证了这种光点击反应对复杂环境中光亲和标记 (PAL) 的有效性。第二代 photo-DAFEx 反应的生物兼容性得到了长足发展，为其在药理研究和药物设计等应用中提供便捷的化学基础。
04
论文信息
Visible-light responsive defluorination-acyl fluoride exchange for photoclick labeling based on phenoxazine chromophores
Lijun Deng, Sitong Li, Cefei Zhang, Yuqiao Zhou, Zhishan Su, Changwei Hu, Xiaohu Zhao and Zhipeng Yu
Org. Chem. Front., 2025, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QO01870B
*文中图片皆来源上述文章
点击“阅读原文”直达上述文章
05
通讯作者简介
余志鹏 教授
四川大学
四川大学教授，博士生导师，于2015年来到四川大学化学学院开展科研和教学工作，一直致力于发展新型光控的、快速的、高选择性化学反应以及其在生物材料精准构建和生物正交标记、示踪中的应用，充分发挥光诱导化学在时空控制性方面的优势。近来也致力于开发光控开关分子在调控生物分子功能中的应用，以及突破光点击化学的精准性方面的研究。
四川大学教授，长期从事反应机理理论研究。近年来以探索手性催化剂在反应中的作用本质 (尤其是立体选择性控制关键因素)、明晰相关反应机理并由此指导新催化剂设计为目标开展工作。同时也围绕光化学反应中激发态性质及相关反应机理开展理论研究。
推荐阅读
福州大学叶克印/林雨琦团队 | 电催化与生物催化相结合应用于不对称合成
南开大学黄有团队 | 有机膦介导的 Morita-Baylis-Hillman 碳酸酯与异氰酸酯的 [5+1] 芳胺化反应
微信改版，公众号文章不再以时间轴排列啦！
将Frontiers Journals设为星标⭐ 不错过更多精彩内容！
喜欢今天的内容？
👇 就来分享、点赞、在看三连吧 👇
