Development and Application of Catalytic Tyrosine Modification

Shinichi Sato, Michihiko Tsushima, Kosuke Nakamura, Hiroyuki Nakamura
2018 Yakugaku zasshi  
The chemical labeling of proteins with synthetic probes is a key technique used in chemical biology, protein-based therapy, and material science. Much of the chemical labeling of native proteins, however, depends on the labeling of lysine and cysteine residues. While those methods have signiˆcantly contributed to native protein labeling, alternative methods that can modify diŠerent amino acid residues are still required. Herein we report the development of a novel methodology of tyrosine
more » ... of tyrosine labeling, inspired by the luminol chemiluminescence reaction. Tyrosine residues are often exposed on a protein's surface and are thus expected to be good targets for protein functionalization. In our studies so far, we have found that 1) hemin oxidatively activates luminol derivatives as a catalyst, 2) N-methyl luminol derivative spe-ciˆcally forms a covalent bond with a tyrosine residue among the 20 kinds of natural amino acid residues, and 3) the e‹ciency of tyrosine labeling with N-methyl luminol derivative is markedly improved by using horseradish peroxidase (HRP) as a catalyst. We were able to use molecular oxygen as an oxidant under HRP/NADH conditions. By using these methods, the functionalization of puriˆed proteins was carried out. Because N-methyl luminol derivative is an excellent protein labeling reagent that responds to the activation of peroxidase, this new method is expected to open doors to such biological applications as the signal ampliˆcation of HRP-conjugated antibodies and the detection of protein association in combination with peroxidase-tag technology. はじめに タンパク質の特定のアミノ酸残基と共有結合を形 成させる手法論(ケミカルラベリング)の開発は, 近年注目されている抗体 薬物複合体の開発や,タ ンパク質を基盤としたドラックデリバリーシステ ム,バイオマテリアル創出において必要不可欠な技 術である.従来汎用される求核性のアミノ酸残基 (リジン,システイン)の修飾技術に加え,それ以 外のアミノ酸残基を選択的かつ効率的に修飾するこ とは現在でも困難な課題である. われわれはタンパク質表面に適度に存在し,タン パク質機能化のよい足場であると期待されているチ ロシン残基に着目した.本稿では,生体のヘム・ヘ ムタンパク質に着想を受けて開発した触媒的チロシ ン残基ラベル化法について報告する. ルミノール反応からの着想 チロシン残基修飾法に関しては様々な手法が開発 されているが, 1 13) 温和な条件でタンパク質の変性 を避けつつ,ラベル化する方法の 1 つとして Barbas ら が 報 告 し た 4-phenyl-1,2,4-triazole-3,5-dione (PTAD)法が挙げられる.環状の diazodicarbonyl 構造を持つ PTAD 誘導体はエン反応様の反応メカ ニズムにより,チロシン残基と共有結合を形成する ことが報告されている. 14) 一方で,PTAD は水中で 不安定な構造であり,脱窒素,脱一酸化炭素を伴っ て,求電子性の isocyanate を副生成物として生じ る.Isocyanate はペプチド/タンパク質の N 末端 アミンやリジン残基とも結合を形成するため,チロ シン残基への選択性の面では課題を残すものであっ た[Scheme 1(A) ] . 15) そこでわれわれはウエスタンブロッティング法の
doi:10.1248/yakushi.17-00186-1 pmid:29311464 fatcat:aorgznvhzffxpkcwoopongjaae