Acrolein-Mediated Conversion of Lysine to Electrophilic Heterocycles for Protein Diversification and Toxicity Profiling

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作者
Zachary E. Paikin,Benjamin Emenike,Rajendra P. Shirke,Christian M. Beusch,David E. Gordon,Monika Raj
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c12928
摘要

Understanding protein interactions in the presence of biological metabolites is critical for unraveling biological processes and advancing therapeutic interventions. This study focuses on α,β-unsaturated carbonyls, particularly acrolein-derived protein modifications, unveiling a one-pot, four-step, selective chemistry that results in the formation of a heterocyclic α,β-unsaturated carbonyl, termed 3-formyl-3,4-dehydropiperidino (FDP), exclusively on lysine residues. Remarkably, this chemistry transforms lysine, a nucleophile, into an electrophilic warhead. We demonstrate its versatility in late-stage peptide diversification, precision protein engineering, and homogeneous protein labeling with diverse payloads. Additionally, FDP-lysine smoothly transforms into another heterocycle, 3-methylpyridinium (3-MP) lysine via deoxygenation and aromatization in reagentless conditions. This transformation facilitates late-stage peptide functionalization and homogeneous engineering of proteins, with MP-lysine acting as a mass booster. Leveraging this chemistry, we discovered hyperreactive sites responsible for acrolein-induced modification through chemoproteomic profiling of FDP- and MP-modified proteins. Our findings revealed changes in protein–protein interactions mediated by FDP-modified proteins and uncovered ∼1548 novel cross-linking partners of an FDP-modified protein.
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