昆明植物所肖國志組/山東大學陸剛組Chem. Sci.：黏蛋白相關腫瘤碳水化合物的集羣式合成

導語

黏蛋白相關腫瘤相關碳水化合物抗原（TACAs）是癌症疫苗治療的重要靶點。然而，高效獲取黏蛋白型腫瘤相關碳水化合物抗原仍然是一個挑戰性的問題。其中，一個難點就是如何實現α-2-脫氧-2-乙酰氨基半乳糖（α-GalNAc）糖苷鍵的高立體選擇性構建。

2021年，中國科學院昆明植物研究所植物化學與天然藥物重點實驗室肖國志課題組提出了融合試劑調控和遠程參與的糖苷化反應策略，進行立體選擇性構建1,2-順式糖苷鍵。利用該策略，已經實現了α-葡萄糖糖苷鍵、α-半乳糖糖苷鍵、1,2-順式阿拉伯吡喃糖糖苷鍵和α-2-脫氧-2-乙酰氨基葡萄糖糖苷鍵的高度立體選擇性構建。最近，作者進一步擴展該策略，實現了α-GalNAc糖苷鍵的高立體選擇性構建，並應用於黏蛋白相關腫瘤碳水化合物抗原的集羣式合成（圖1）。相關研究成果發表在Chemical Science2024, DOI：10.1039/D4SC01348D。

圖1（來源：Chem. Sci.）

前沿科研成果

以GalN3爲給體的高度立體選擇性α-糖苷化方法完成了黏蛋白相關腫瘤相關碳水化合物抗原的集羣式合成

首先，作者研究了3位、4位和6位不同保護基的GalN3 N-苯基三氟乙酰亞胺酯（PTFAI）爲給體和HO(CH2)5NBnCbz強親核試劑爲受體，TMSI和Ph3P=O試劑組合爲促化劑的糖苷化反應，探究給體不同保護基對糖苷化反應立體選擇性的影響（圖2）。結果表明：當C3和C4位爲Bz保護基時，α-立體選擇性和產率最優（Entry 1）。並且，C3和C4位爲Bz保護基的給體比C3和C4位爲Ac保護基的給體在反應中具有更好的α-立體選擇性和更高的產率（Entry 9-18）。另外，C4位Bz保護基比C3位Bz保護基對糖苷產物的立體選擇性影響更大（Entry 5-6）。

圖2（來源：Chem. Sci.）

在得到最佳反應條件後，作者考察了以GalN3 PTFAI17a爲給體的立體選擇性α-糖苷化受體範圍（圖3）。當受體爲鏈狀脂肪族伯醇時，糖苷化反應都以優異的產率（86%-95%）和立體選擇性得到產物（α/β>20:1）。當受體爲糖基伯醇，如半乳糖、甘露糖、葡萄糖和阿拉伯糖時，糖苷化反應同樣以優異的產率（86%-99%）和立體選擇性得到產物（α/β>20:1）。受體爲糖基仲醇受體時，糖苷化反應的產率（86%-99%）和立體選擇性也可以達到較高的水平（90%-99%）。作者還考察了受體爲氨基酸的反應情況。受體爲L型絲氨酸（20n-p）時，糖苷化反應以中等收率（73%）和高的立體選擇性（α/β>20:1）得到產物。另外，受體爲薄荷醇、金剛烷醇、膽固醇等生物活性物質或天然產物，反應仍然以高的產率和立體選擇性得到產物。

圖3（來源：Chem. Sci.）

接下來，作者研究了這種α-糖基化方法在粘蛋白型O-聚糖集羣式合成中的應用（圖4-5）。在室溫下，在TMSI和Ph3PO存在下，策略性保護的GalN3-PTFAI供體14與絲氨酸15的偶聯順利進行，以可接受的60%產率和優異的立體選擇性（α/β>20:1）得到了所需的中間體GalN3-α-O-Ser16，其作爲合成所有粘蛋白型O-聚糖1-13的共同中間體，並且此反應可以達到克級規模。從中間體GalN3-α-O-Ser16經過各種官能團轉化及糖苷化反應合成TACA，包括TN抗原、STN抗原、2,3-STF抗原、2,6-STF抗原、血型糖蛋白抗原（glycophorin）和核1-8黏蛋白型O-聚糖。

圖4（來源：Chem. Sci.）

圖5（來源：Chem. Sci.）

圖6（來源：Chem. Sci.）

最後，肖國志課題組和山東大學陸剛課題組合作進行密度泛函理論計算，對反應機理進行研究。發現：1）在沒有Ph3P=O存在下，親核試劑對β-碘苷的SN2反應能壘要比對α-碘苷的SN2反應能壘低得多（ΔG‡ = 8.2 kcal/mol）（圖6a），這也解釋了只有TMSI爲促進劑時（α-碘苷/β-碘苷= 4:1），只得到21%產物（α/β = 10:1）（Entry 7，圖2）；2）在TMSI和Ph3P=O存在下，Ph3P=O可以將α-碘苷轉化爲β-碘化膦中間體Int1，親核試劑對β-碘化膦中間體Int1進行SN2反應生成相應的產物（圖6b），該反應能壘要比對α-碘苷的SN2反應能壘低（ΔG‡ = 2.9 kcal/mol）。值得一提的是，碘化膦中間體Int1可以被高分辨質譜檢測到。另外，當2-脫氧半乳糖PTFAI給體17q-s和受體18在標準條件下進行糖苷化反應時，糖苷化產物立體選擇性較低（圖6c），這也進一步佐證了醇親核試劑可以與疊氮基團形成氫鍵作用，實現SN2反應（圖6b）。

總結，作者報道了α-GalNAc糖苷鍵的高立體選擇性構建方法。該方法具有優異的產率、突出的立體選擇性、寬的底物範圍和溫和的反應條件。該方法成功應用於黏蛋白相關腫瘤碳水化合物抗原的集羣式合成，包括：TN抗原、STN抗原、2,6-STF抗原、2,3-STF抗原、糖蛋白，血型糖蛋白抗原（glycophorin）和1-8核心粘蛋白型O-聚糖。特別的是，通過密度泛函理論計算和機理研究，首次揭示了該立體選擇性糖苷化反應的反應機理，闡明瞭試劑（TMSI和Ph3PO）組合的關鍵作用和疊氮基團氫鍵導向的作用。

該研究成果以“Highly stereoselective α-glycosylation with GalN3 donors enabled collective synthesis of mucin-related tumor associated carbohydrates antigens”爲題發表於英國皇家化學會旗艦期刊Chemical Science。該工作的通訊作者爲肖國志研究員和陸剛教授，第一作者爲首坤秀博士研究生、張雲琴博士和嵇玉潔博士研究生。該研究成果得到了國家自然科學基金優秀青年基金和麪上項目等的大力資助。

通訊作者簡介

肖國志研究員簡介：

肖國志，研究員，課題組長，博士生導師。2008年獲中山大學學士學位，2013年獲中國科學院上海有機化學研究所博士學位，師從俞飈院士。2013年-2017年先後在德國馬普膠體與界面研究所Peter H. Seeberger教授和美國威斯康辛大學麥迪遜分校Weiping Tang教授課題組從事博士後研究。2017年加入中國科學院昆明植物研究所工作。主要研究方向爲發展新方法和新策略實現複雜糖類化合物的高效化學合成。曾入選國家自然科學基金優秀青年科學基金項目（2023）和中國科學院率先行動青年項目（2020）。曾榮獲中國化學會首屆糖化學青年學者獎（2021）和Thieme Chemistry Journals Award（2024）。

陸剛教授簡介：

陸剛，博士生導師，山東大學齊魯青年學者特聘教授。2005年獲西北農林科技大學學士學位，2008年獲西北農林科技大學碩士學位，2012年獲中國科學院大學博士學位，師從汪志祥教授。2012年-2014年在中國科學院福建物質結構研究所擔任助理研究員。2014年-2018年在美國匹茲堡大學從事博士後研究，合作導師爲Peng Liu教授。2018年加入山東大學化學與化工學院工作。主要研究方向爲理論與計算有機化學。

邀稿

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