半胱氨酸蛋白組學案例解析

衰老過程中組織特異性的定量蛋白質氧化還原圖譜

A Quantitative Tissue-Specific Landscape of Protein Redox Regulation during Aging

研究對象：小鼠的器官與組織           期刊：cell

影響因子：38.637                           發表單位：哈佛醫學院

研究背景

哺乳動物組織通過活性氧（ROS）對蛋白質半胱氨酸進行可逆修飾來從事許多特定生理活動。半胱氨酸氧化是快速且可逆，被用于調節蛋白質功能和定位。此外，ROS和氧化還原信號失調是組織隨著年齡增長而生理衰退的潛在根本原因之一。然而現有的技術半胱氨酸位點覆蓋率低且無法檢測ROS氧化修飾的程

研究策略

結果速遞

考慮到固定化金屬螯合親和色譜法(IMAC)對磷酸化肽段的富集效率高達99%，在此基礎上，作者通過合成CPTs化合物來標記蛋白上的半胱氨酸，標記后的蛋白半胱氨酸會帶有一個磷酸基團，這樣的話就能夠通過磷酸化蛋白質組學的方法來富集半胱氨酸，大大提高能檢測到的半胱氨酸的位點的數量。在此基礎上，作者開發了一種全蛋白質組的可逆氧化硫醇定量標記策略，結合TMT 標記技術，實現了在一個實驗中同時分析多個生物學重復。

作者檢測了年輕小鼠和老年小鼠的10個不同器官以及組織中的半胱氨酸的氧化程度組成Oximouse數據庫，一共定量到171,000個組織特異的半胱氨酸，匹配到9,400個蛋白質對應到34,000個獨有位點。這些位點的數量達到了前人能檢測到的幾十上百倍，并且絕大多數位點從來沒有被檢測到過。

圖1：小鼠體內組織特異性氧化還原修飾的全面定量研究

接 下 來 作 者 結 合 Oximouse 和BioPlex 2.0來定義氧化還原修飾的蛋白質網絡， 在BioPlex 2.0中建立的1320個蛋白網絡中， 有幾百個在至少一個組織中顯示了對半胱氨酸的協同 氧化還原調節， 幾乎所有的氧化還原網絡都表現出一定程度的組織選擇 性。研究結果表明半胱氨酸氧化還原 敏感性由近端帶電氨基酸編碼。這些 發現也說明可以利用Oximouse作為框 架來探索組織中氧化還原調節的新機制。

圖2：體內氧化還原調節蛋白網絡

ROS失調在年齡依賴性疾病和組織功能障礙中的重要性已得到重視。ROS是由衰老過程中不可逆的大分子破壞引起的，由于缺少ROS信號在哺乳動物衰老中的機制細節，因此又探索了年齡對小鼠組織半胱氨酸氧化網絡的影響。盡管衰老過程中的蛋白質組具有一致的群體特征，但對單個半胱氨酸的分析顯示，衰老組織中的氧化還原蛋白質組特征與相應的年輕組織有很大的區別。值得注意的，在年輕組織中發現的許多高度修飾位點在老年組織中丟失，這些年齡特異性特征也具有組織特異性。此外，ROS的失調與許多年齡相關的疾病有關，本研究系統地確定了由半胱氨酸氧化控制的協同調節過程，這些過程隨年齡的變化而改變。

圖3：衰老過程中重建組織特異性半胱氨酸氧化網絡

研究人員開發了一種新技術，利用CPTs標記提高半胱氨酸的覆蓋率，再結合TMT標記蛋白組學，從而實現了大規模地構建蛋白質半胱氨酸在體內的定量蛋白質氧化還原圖譜，其中多種氧化還原反應調節蛋白和網絡參與生理健康和衰老?？傊?，這項工作為理解體內氧化還原信號的機制靶標研究提供了基礎。

參考文獻

HaopengXiao,Mark P Jedrychowski,et al. AQuantitative Tissue-Specific Landscape of Protein Redox Regulation during Aging[J].clee.2020 Mar5;180(5):968-983.