杨靖等发表半胱氨酸氧化还原修饰全景分析
Nat Comm |
半胱氨酸残基（Cys）的氧化还原作为重要的翻译后修饰机制，能够可逆地调节蛋白质功能、互作与定位，进而实现对诸多生物学进程与氧化信号（如过氧化氢H2O2）转导的精准调控【1】。半胱氨酸的氧化还原修饰广泛存在于各种真核生物中。线虫作为常用的模式生物，可用于从网络水平上研究半胱氨酸介导氧化还原信号的传导机制。
近日，国家蛋白质科学中心（凤凰中心，北京）杨靖团队与哈佛大学医学院T. Keith Blackwell团队合作在Nature Communications杂志上发表了题为
Global profiling of distinct cysteine redox forms reveals wide-ranging redox regulation in
C. elegans
的研究论文，该工作首次全景式分析了秀丽隐杆线虫中半胱氨酸几种主要的氧化还原形式，揭示半胱氨酸氧化还原修饰可调节线虫体内多种生物过程和途径，发现p38 MAPK通路上下游蛋白质均可介导Cys依赖的抗氧化响应和天然免疫调节。
首先，作者利用蛋白质巯基反应性定量技术【2】，分析了线虫中5258个半胱氨酸位点的反应性，极大扩展了秀丽隐杆线虫半胱氨酸蛋白质组的覆盖范围。结果发现仅有24.4%的半胱氨酸具有高反应性，其中包括许多已知的具有催化或调节功能的保守型位点，提示半胱氨酸的反应活性可以作为预测其功能的有效指标。
随后，作者利用一系列基于“点击化学”探针的氧化还原蛋白质组学方法（图1）【3】，系统分析了线虫蛋白质组上5454个还原型巯基位点（Cys-SH）、1521个次磺酸修饰位点（Cys-SOH）和82个亚磺酸修饰位点（Cys-SO2H）。该数据集不仅包括许多已知的氧化还原敏感的半胱氨酸，如GPD-1中的C158、40S核糖体蛋白rps -17中的C35和AGC家族激酶IRE-1中的C663，而且提供了大量前所未知的氧化还原敏感或修饰位点。定量分析结果表明，超过1500个蛋白质Cys位点在外源性低浓度H2O2刺激下发生了显著变化。
生物信息学分析发现这些氧化敏感蛋白可参与许多基本生物学进程，如泛素蛋白酶体途径、糖酵解、三羧酸循环循环和戊糖磷酸途径等代谢过程、p38 MAPK通路、mTORC1通路、胰岛素/IGF-1通路、mRNA剪接和转录等。接下来，作者对部分上述发现进行了一系列功能验证。例如，作者还注意到p38 MAPK通路上下游均存在氧化敏感位点，包括IRE-1、NSY-1、SEK-1和PMK-1（图2）。前期研究表明，进化保守的p38 MAPK通路可在各种环境因子包括病原体暴露和ROS信号刺激下被激活，并且IRE-1与NSY-1均参与其中【4】。本研究中作者重点研究了SEK-1和PMK-1是否在p38 MAPK介导的应激反应和病原体抗性中发挥氧化还原调节的作用。利用Cas9/CRISPR基因编辑技术，作者构建了点突变线虫模型，结合生化分析，发现PMK-1 的C173和SEK-1 的C213均参与氧化应激介导的p38 MAPK通路激活，并且后者对线虫抵御病原体也至关重要。
综上，作者对秀丽隐杆线虫的氧化还原蛋白质组进行了全局性表征，为氧化还原生物学领域提供了丰富且有价值的数据资源，为了解多细胞生物体内氧化还原信号转导提供了分子基础。
哈佛大学医学院Jin Meng博士，国家蛋白质科学中心（北京）付玲博士为共同第一作者，杨靖研究员和T. Keith Blackwell教授为共同通讯作者。该研究得到美国斯克普斯研究所Kate Carroll教授以及北京生命科学研究所董梦秋研究员的帮助或指导。
