哺乳动物组织通过活性氧(ROS)对蛋白质半胱氨酸残基的可逆修饰进行调节。ROS调控着众多的生物学过程，但是ROS修饰的蛋白质靶点在很大程度上还不清楚，这些靶点驱动了体内组织特异性的生理学。2020年3月5日，美国哈佛医学院Edward T. Chouchani团队在国际学术期刊Cell上在线发表了题为“A quantitative tissue-specific landscape of protein redox regulation during aging”的研究论文。在该研究中，研究人员开发了Oximouse，对小鼠体内半胱氨酸氧化还原蛋白质组进行了全面的定量和定位，揭示了半胱氨酸氧化还原网络具有组织选择性。此外，研究人员还全面鉴定了在衰老小鼠中重塑的氧化还原修饰的疾病网络，为氧化还原失调与组织衰老之间长期存在的联系建立了系统的分子基础。

 

尽管氧化还原调节对组织特异性生理和哺乳动物衰老具有广泛的重要性，但关于解释体内这些过程的分子基础的特定蛋白修饰信息一直缺乏。目前也还没有对活体组织的氧化还原蛋白质组进行广泛的定量分析。为了解决这一未得到满足的需求，该研究开发了一种半胱氨酸衍生化和富集的方法，结合蛋白质组学，以提供对体内组织特异性蛋白半胱氨酸氧化的彻底表征。该图谱代表了迄今为止对氧化还原调节的半胱氨酸蛋白质组最深入的定量分析。 

 

 

 

 

 

研究结果

半胱氨酸蛋白质组的深度覆盖和定量分析

该研究合成了半胱氨酸反应性磷酸标签（CPTs）化合物去标记蛋白半胱氨酸位点，然后通过IMAC对CPT-衍生的半胱氨酸肽段进行富集，同时结合TMT定量标记技术，从而达到提升半胱氨酸蛋白组学检测深度的目的。

研究人员从16周龄和80周龄雄性C57BL / 6J小鼠中获取10个器官，每个年龄的每种组织设置5个生物学重复。利用该技术，研究人员对小鼠体内组织的蛋白质半胱氨酸氧化修饰进行了首次全面的定量。在所有组织中共检测到约9400个蛋白上的约171,000个半胱氨酸位点，对应了约34,000个独有的半胱氨酸位点，并将这些数据组建成Oximouse数据库（http://oximouse.hms.harvard.edu）。与先前的研究相比，该方法大大提高了半胱氨酸位点的检出水平。

图1. 半胱氨酸蛋白质组的深度覆盖和定量分析

 

 

 

 

组织特异性的半胱氨酸氧化还原调控网络

最近产生的BioPlex 2.0是迄今为止最全面的蛋白质组相互作用网络数据库。在这里，研究人员将Oximouse和BioPlex 2.0结合起来，定义了氧化还原修饰的蛋白质网络，它是组织特异性生物学的基础。在BioPlex 2.0中建立的1320个蛋白质网络中，有数百个在至少一个组织中显示了半胱氨酸的协同氧化还原调节(图2B，C)。几乎所有这些氧化还原网络都显示出一定程度的组织选择性(图2C，D)。接下来研究人员构建并验证了每个组织内的半胱氨酸氧化还原信号网络。在不同组织中发现氧化还原网络能够介导许多不同生命过程中的信号传递。例如，研究发现控制tRNA氨酰化的蛋白网络普遍存在协同氧化还原修饰(图2D，E)。此外还发现这些网络具有高度的组织特异性，并且与调节蛋白网络的代谢途径密切相关。

图2. 体内氧化还原蛋白调控网络的系统鉴定

 

 

 

衰老重塑组织特异性半胱氨酸氧化网络

鉴于哺乳动物衰老过程中ROS信号转导机制的缺乏，研究人员探讨了年龄对小鼠组织半胱氨酸氧化网络的影响。对比研究了年老(80周龄)和年轻(16周龄)的小鼠组织中蛋白半胱氨酸氧化情况。研究发现，在年老的小鼠体内，蛋白半胱氨酸的氧化程度并没有显著提高。并且分泌蛋白的氧化程度在年老小鼠中整体减少，这可能是由于年老小鼠代谢速率变低导致ROS的产生变少以及蛋白的分泌减少导致的。尽管氧化还原蛋白质组在衰老过程中具有一致的总体特征(图3A-F)，但对单个半胱氨酸的分析显示，衰老组织中的氧化还原蛋白质组特征与年轻组织有很大不同。研究发现具有组织特异性的氧化还原调节位点随着年龄的增长而丢失。Oximouse的数据表明，不同的氧化还原信号网络在每个组织中被选择性地改变。由于许多网络映射到相应组织中已建立的疾病相关蛋白，该数据集提供了疾病和组织特异性图谱，以了解ROS在年龄相关组织功能障碍中的作用机制。

 

图3. 衰老重塑组织特异性半胱氨酸氧化网络

 

 

 

 

总结

综上所述，研究人员开发了一种新技术，能够大规模地检测蛋白的半胱氨酸氧化情况。该研究发现蛋白的半胱氨酸氧化是组织特异以及年龄特异的，并且参与多种生命活动信息网络以及疾病网络。总之，这项工作为理解体内氧化还原信号的机制靶点提供了基础，并鼓励研究者们在此基础上进一步研究扩大对氧化还原调节如何控制生理和疾病的理解。  

青莲百奥推出探针

利用质谱法检测巯基氧化还原不同阶段的定性定量分析，玩转不一样翻译后修饰组学。

 

探针结构：

 

      衰老过程中蛋白质氧化还原调节的定量组织特异性图谱

期刊名称：Cell

IF：38.637

样本选择：16周龄和80周龄雄性C57BL / 6J小鼠分别收集10个器官

技术策略：氧化还原蛋白质组学

 

 

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