Site-selective protein-modification chemistry for basic biology and drug development

Abstract

Nature has produced intricate machinery to covalently diversify the structure of proteins after their synthesis in the ribosome. In an attempt to mimic nature, chemists have developed a large set of reactions that enable post-expression modification of proteins at pre-determined sites. These reactions are now used to selectively install particular modifications on proteins for many biological and therapeutic applications. For example, they provide an opportunity to install post-translational modifications on proteins to determine their exact biological roles. Labelling of proteins in live cells with fluorescent dyes allows protein uptake and intracellular trafficking to be tracked and also enables physiological parameters to be measured optically. Through the conjugation of potent cytotoxicants to antibodies, novel anti-cancer drugs with improved efficacy and reduced side effects may be obtained. In this Perspective, we highlight the most exciting current and future applications of chemical site-selective protein modification and consider which hurdles still need to be overcome for more widespread use.

Site-Specific Incorporation of a Thioester Containing Amino Acid into Proteins

“…1–2 To this end, a number of methods have been developed including the selective modification of cysteine residues with electrophiles, 3–4 the fusion of peptide tags to proteins of interest which can be subsequently chemically or enzymatically modified, 5–8 and the incorporation of noncanonical amino acids (ncAAs) into proteins through semisynthetic 9–11 or recombinant methods. 12–13 In nature, the thioester group provides a means for selective protein conjugation; examples include protein ubiquitination, 14 intein splicing, 15 and the attachment of complement factors to pathogens.…”

Chemically Caged Nucleic Acids

“…Strategy (ii), i.e., chemical or enzymatic post-modification of native nucleic acids, is an intriguing and useful approach to the construction of chemically caged nucleic acids rapidly and simultaneously without the practical limitations to length associated with strategy (i). However, compared to recent progress in the post-modification of proteins, 18 those of native nucleic acids, without any pre-introduced artificial molecular moieties, is still in its infancy. Classically, chemical postmodification of nucleic acids can be effected by, for example, alkylating reagents 19a19c and diazonium compounds, 19d,19e which predominantly react at the N7-and C8-positions of the guanine base, respectively (Figure 4 (ii,a)).…”

Novas metodologias em síntese orgânica empregando o rearranjo de Wolff em diazocetonas insaturadas

“…153 Estas proteínas modificadas desempenham funcionalidades químicas em importantes processos celulares, incluindo tráfego vesicular, diferenciação, migração e sinalização. 153,154 Por exemplo, a ligação de carboidratos em proteínas, um processo conhecido como glicosilação, pode melhorar a solubilidade e modular interações ligante-receptor. 154 Através da adição reversível de grupos fosfatos a serinas, treoninas ou resíduos de tirosinas, as enzimas podem permutar entre os estados ativos e inativos.…”

“…154 Coletivamente, estes exemplos destacam como, através da introdução de pequenas modificações, a natureza muitas vezes redesenha a estrutura e função das proteínas para modular a diversidade biológica. 153,154 Com inspiração na natureza, a comunidade científica tem desenvolvido ferramentas para modificar covalentemente proteínas em laboratório, instalando seletivamente diferentes alterações com variadas aplicações. 153 Por exemplo, a circulação de meia-vida de uma proteína pode ser aumentada pela adição de unidades polietilenoglicol (PEG …”

“…153,154 Com inspiração na natureza, a comunidade científica tem desenvolvido ferramentas para modificar covalentemente proteínas em laboratório, instalando seletivamente diferentes alterações com variadas aplicações. 153 Por exemplo, a circulação de meia-vida de uma proteína pode ser aumentada pela adição de unidades polietilenoglicol (PEG …”