光交联化学（Photoaffinity labeling,
PAL）是一种共价捕获小分子-生物大分子相互作用的常用方法，广泛应用于药学、化学生物学以及材料等领域。通常，光交联探针由光交联基团、活性配体以及报告基团三个部分组成，其中光交联基团是光交联策略开发的关键。接下来，本篇推文将向大家介绍光交联化学的最新进展，经典光交联基团的结构改造以及新型光交联基团的开发。苯甲酮基团、叠氮苯基团以及双吖丙啶基团是最常用的光交联化学基团，他们具有相似的化学特点：①在生理条件下，不易与其他生物大分子反应产生副反应；②化学结构大小适中，不易产生细胞毒性；③在黑暗条件下，化学性质在各类环境因素中相对稳定，而光照后可产生高活性的反应中间体，④反应条件温和，具有良好的生物兼容性。如以下表格为三种经典光交联基团的化学性质总结[1]：
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上述经典的光交联基团常被用于设计为研究不同分子-蛋白质相互作用的工具探针，是研究细胞靶标分子的重要工具之一。值得注意的是，光交联基团本身的结构可能影响蛋白质谱图绘制结果的真实性。接下来，本文将以双吖丙啶的最新研究进展为例，简要介绍对光交联基团进行结构优化的主要思路：
2013年，新加坡国立大学Shao Q. Yao课题组发展了三种化学结构体积最小的末端含炔的双吖丙啶光交联探针[2]。通过减小光交联探针的化学结构，可减少小分子与蛋白质结合过程的扰动，降低标记靶标的非特异性背景。该探针目前已在药物靶标与脱靶效应鉴定、基于片段的药物筛选以及结合位点分析等研究中被广泛使用。
图1：小型的末端炔基双吖丙啶光交联探针
2018年，哈佛大学Christina M. Woo课题组通过在双吖丙啶基团邻近加入吸电子基团氟原子，开发了更小型的二氟取代的烷基双吖丙啶光交联探针，以改善探针的化学稳定性与选择性以及光交联反应的交联效率[3]。
图2：扰动更小的双吖丙啶光交联探针（MI-PAL）
双吖丙啶经光照激活能够产生高反应活性的卡宾中间体，但是也能够异构化生成线性重氮中间体。近期的实验表明，该线性重氮中间体能够选择性标记蛋白质的酸性氨基酸残基，造成pH依赖的非特异性交联。针对这一问题，早在1980，Richards, F. M.课题组开发了三氟甲基苯基双吖丙啶，通过引入三氟甲基降低线性重氮中间体生成的比例[4]。
受到Bertozzi课题组开发应变力促进叠氮-炔烃的环化加成反应的启发，Christina M. Woo课题组近期在双吖丙啶中引入环丁烷环结构，开发了新型的双吖丙啶探针。由于环张力的影响，该光交联探针在光照激活后的反应速率更快，卡宾中间体的稳定性大大增加，pH依赖的非特异性标记背景显著较低[5]。
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图3：PALBOX的设计
综上，研究人员为了得到反应性更佳的光交联探针利用不同策略对探针结构做了不同的改造。除此以外，研究人员还会在不同的应用中对光交联探针进行结构改造，得到能够满足应用需求的功能衍生化探针。
1.四唑（Tetrazoles）
由生物正交环加成反应发展而来的2，5-双取代四唑已成为常用的光交联化学基团。由2，5-双取代四唑光照激活生成的丁腈亚胺活性中间体能够与不同的亲核试剂发生共价交联。为得到更高效的四唑光交联探针，研究人员对其进行结构改造主要集中在2-，5-两个取代位点，可以调整电性与空间结构延长活性中间体的半衰期。另外，芳基四唑探针还可通过调整芳基取代基的电性实现对羧酸底物的选择性标记，成为化学蛋白质组学中研究活性羧酸的重要工具分子[6]。
值得注意的是，由于四唑基团的生物电子等排体的性质，四唑在药物发现中被常用作药效基团。因此，四唑光交联探针同时还能具有一定的药效活性，在研究小分子-蛋白质作用时能够减少非天然交联探针对结合的扰动。
图4：四唑光交联探针的反应性
2.异恶唑（Isoxazole）
2022年，香港城市大学孙红燕课题组与暨南大学麻楠课题组合作开了以活性药效团异恶唑为基础的光交联探针，该探针能够在紫外光激活下生成氮杂环丙烯活性中间体，随后与亲核性氨基酸残基发生共价交联[7]。因此，该光交联探针既具有药效活性，又能实现原位共价交联生物大分子相互作用，能够为以异恶唑药物研发提供新策略。
图5：异恶唑光交联探针的设计
总结
综上所述，光交联探针在化学生物学、药学等领域中均成为了重要的工具分子，能够帮助人们在分子水平上理解细胞内生物大分子之间的相互作用，并助力药物研发。回顾光交联探针的发展，不管是传统的光交联探针或是新型的光交联探针的开发，都在不断丰富优化光交联策略。[1] Matthew
W. Halloran and Jean-Philip Lumb. Recent Applications of Diazirines in Chemical
Proteomics. Chem. Eur. J., 2019. 25, 4885.[2] Zhengqiu
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Chang, Christina M. Woo, et al. Synthesis of an electronically-tuned minimally
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J., Senn, H., Richards, F. M, et al. 3-Trifluoromethyl-3-phenyldiazirine. A new
carbene generating group for photolabeling reagents. J. Biol. Chem., 1980.255, 3313.[5] Alexander
V. West, Yuka Amako, and Christina M. Woo. Design and Evaluation of a
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V. West, Christina M. Woo. Photoaffinity Labeling Chemistries Used to Map
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Photo-Cross-Linker for Photoaffinity Labeling and Chemoproteomics. Angew.
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