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化学者のつぶやき

逆電子要請型DAでレポーター分子を導入する

 

生体分子を化学修飾してレポーター分子を導入可能な反応(Bioorthogonal Reaction)は生命現象の解明の足がかりとして強力なツールとなります[1]。最もよく知られているのが、アジド化合物とアルキンとのHuisgen反応(図1左)。Huisgen反応によるレポーター分子の導入は、生体直交性が高い・副生成物が生じないといった特徴から広く用いられています。しかし、問題点がないわけではなく、反応が遅いためレポーター分子の過剰投与が必要になることが多々有ります[2]

一方、1,2,4,5-テトラジン(1,2,4,5-tetrazine)とアルケンとの逆電子要請型Diels-Alder(IED-DA)反応は、Huisgen反応に比べ約2万倍の速度で進行することが知られています(図2右)。その利点を活用して、2008 年、米国デラウェア大学のFoxら は1,2,4,5-テトラジン と歪んだアルケンであるトランスーシクロオクタエン(trans-cyclooctene:TCO)とのIED-DA反応を利用したレポーター分子の導入法を報告しました[3]。その報告以降、1,2,4,5-テトラジンと反応する様々なアルケン(ジエノフィル)との反応が考案され試されています[4]

図1 Huisgen反応とIED-DA反応によるレポーター分子の導入

図1 Huisgen反応とIED-DA反応によるレポーター分子の導入

 

しかし、1,2,4,5-テトラジンは生体内での安定性が低いことが問題点です。最近、UCアーバインのPrescherらは、1,2,4,5-テトラジンの代わりに1,2,4,トリアジン(1,2,4-triazine)を用いることで、この問題点の解決に取り組みました。

“1,2,4-Triazines Are Versatile Bioorthogonal Reagents”

Kamber, D. N.; Liang, Y.; Blizzard, R. J.; Liu, F.; Mehl, R. A.; Houk, K. N.; Prescher, J. A. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137,  8388–8391. DOI: 10.1021/jacs.5b05100

 

1,2,4-triazineを用いた逆電子要請型DA反応

1,2,4-トリアジンは、微生物から単離される天然物にも見られ、生体内での高い安定性が期待できます。すでにトリアジンを使った逆電子要請型DAはスクリプス研究所のBogerらにより昔から様々な検討がなされていますが[5]、今回種々の1,2,4-triazine誘導体を合成し、TCO誘導体とのIED-DA反応を試みました。

その結果、反応は迅速に進行しピリジン誘導体を与えることがわかりました。一方で、1,2,4,5-テトラジン骨格との反応性が高いジエノフィルであるシクロプロペンやノルボルネンとは反応しないこともわかりました(図2)。このことから、TCO と他のジエノフィルを組み込みこんだ分子に対して、1,2,4-トリアジンと1,2,4,5-テトラジンをそれぞれ独立に反応させることも可能と考えられます。また、1,2,4-トリアジン骨格は1,2,4,5-テトラジンに比べチオールや水との反応性が低いことから、生体内での高い安定性が示唆されました。さらに、1,2,4-トリアジン骨格を側鎖に組み込んだ組換えGFPを作成し、in vitroにおいてTCO誘導体とのIED-DA反応が進行することを確認しました。

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図2 1,2,-4トリアジンとジエンやシステイン、水との反応

 

1,2,4-トリアジン1,2,4,5-テトラジンの違い:量子化学計算による考察

r1,2,4-トリアジンの反応性に関し量子化学計算による議論も行っています。計算結果からは以下の結果が示され、いずれも実験事実を支持しています。

  1. LUMO+1のエネルギー値およびエチレンとの反応における活性化障壁の値から、1,2,4-トリアジンは1,2,4,5-テトラジンに比べIED-DA反応での反応性が低い。
  2. メタンチオールとの反応における活性化障壁の値から、1,2,4-トリアジン は 1,2,4,5-テトラジンよりもシステインとの反応性が低い。
  3. シクロプロペン誘導体、ノルボルネン、およびTCOとのDA反応における活性化障壁の値から、1,2,4-トリアジンは室温においてTCOとは反応するが、シクロプロペンやノルボルネンとは反応しない。

 

 

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まとめ

1,2,4-トリアジンと1,2,4,5-テトラジンという、N原子ひとつの違いしかないですが、それが絶妙な反応性の差を生み、生体直交性反応剤としての有用性の差につながっっています。今回の報告は、これまで報告されていたレポータ分子の「改良」ではあるものの、逆電子要請型DAがラベリングツールとして使える可能性を広げた論文であるといえます。生体内イメージングへの適用の可否はわかりませんが、今後に期待したいと思います。

 

関連文献

  1. Lang, K; Chin, J. W. ACS Chem. Biol. 2014, 9, 16. DOI: 10.1021/cb4009292
  2. Rosson, R; Verkerk, P. R.; Bosch, M.; Vulders, R. C. M.; Robillard, M. S. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 3375. DOI: 10.1002/anie.200906294
  3. Blackman, M. L.; Roysen, M.; Fox, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13518.  DOI: 10.1021/ja8053805
  4. (a) Liu, F.; Liang, Y.; Houk, K. N. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11483. DOI: 10.1021/ja505569a;  (b) Yang, J.; Liang, Y.; Seckute, J.; Houk, K. N.; Devaraj, N. K. Chem. Eur. J. 201420, 3365. DOI: 10.1002/chem.201304225
  5. (a) Boger, D. L. Chem. Rev. 1986, 86, 781 DOI: 10.1021/cr00075a004; (b) Anderson, E. D.; Boger, D. L. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12285. DOI: 10.1021/ja204856a
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