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Donor–Acceptor Pyridinium Salts for Photo-Induced Electron-Transfer-Driven Modification of Tryptophan in Peptides, Proteins, and Proteomes Using Visible Light

化学 吡啶 色氨酸 荧光 反应性(心理学) 生物正交化学 生物结合 共价键 光化学 组合化学 电子转移 氨基酸 点击化学 生物化学 有机化学 物理 替代医学 病理 量子力学 医学
作者
Caleb Hoopes,Francisco J. Garcia,Akash Mamon Sarkar,Nicholas Kuehl,David T. Barkan,Nicole Collins,Glenna E. Meister,Taylor R. Bramhall,Chien-Hsiang Hsu,Michael D. Jones,Markus Schirle,Michael T. Taylor
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (14): 6227-6236 被引量:44
标识
DOI:10.1021/jacs.1c10536
摘要

Tryptophan (Trp) plays a variety of critical functional roles in protein biochemistry; however, owing to its low natural frequency and poor nucleophilicity, the design of effective methods for both single protein bioconjugation at Trp as well as for in situ chemoproteomic profiling remains a challenge. Here, we report a method for covalent Trp modification that is suitable for both scenarios by invoking photo-induced electron transfer (PET) as a means of driving efficient reactivity. We have engineered biaryl N-carbamoyl pyridinium salts that possess a donor–acceptor relationship that enables optical triggering with visible light whilst simultaneously attenuating the probe's photo-oxidation potential in order to prevent photodegradation. This probe was assayed against a small bank of eight peptides and proteins, where it was found that micromolar concentrations of the probe and short irradiation times (10–60 min) with violet light enabled efficient reactivity toward surface exposed Trp residues. The carbamate transferring group can be used to transfer useful functional groups to proteins including affinity tags and click handles. DFT calculations and other mechanistic analyses reveal correlations between excited state lifetimes, relative fluorescence quantum yields, and chemical reactivity. Biotinylated and azide-functionalized pyridinium salts were used for Trp profiling in HEK293T lysates and in situ in HEK293T cells using 440 nm LED irradiation. Peptide-level enrichment from live cell labeling experiments identified 290 Trp modifications, with 82% selectivity for Trp modification over other π-amino acids, demonstrating the ability of this method to identify and quantify reactive Trp residues from live cells.

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