蛋白质组学

半胱氨酸氧化修饰检测新思路可能揭示衰老密码

哺乳动物组织通过活性氧(ROS)对蛋白质半胱氨酸进行可逆修饰来从事许多特定生理活动。ROS和氧化还原信号失调是组织随着年龄增长而生理衰退的潜在根本原因之一。然而现有的技术由于半胱氨酸位点覆盖率低且无法检测ROS氧化修饰的程度,故仍未对ROS蛋白修饰进行深入以及大规模的研究。

多组学联合分析

 

 

2020年3月5日,哈佛医学院Edward T.Chouchani团队在国际学术期刊cell上在线发表了“A Quantitative Tissue-Specific Landscape of Protein Redox Regulation during Aging”,开发了一种半胱氨酸衍生化和富集方法并结合蛋白质组学,检测了年轻小鼠和老年小鼠的10个不同器官以及组织中的半胱氨酸的氧化程度,共定量到171,000个组织特异的半胱氨酸,匹配到9,400个蛋白质对应到34,000个独有位点,组成Oximouse数据库,构建了蛋白质半胱氨酸在体内的氧化还原图谱,为理解体内氧化还原信号的机制靶标研究提供了基础。

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多组学联合分析

 

研究思路

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多组学联合分析

结果速递

1.CPTs标记加深半胱氨酸蛋白质组的覆盖度及全面定量

固定化金属螯合亲和色谱法(IMAC)对磷酸化肽段的富集效率高达99%,根据此特性,作者开发了一种全蛋白质组的可逆氧化硫醇定量标记策略,通过合成CPTs化合物来标记蛋白上的半胱氨酸,使标记后的半胱氨酸带有一个磷酸基团,再通过磷酸化蛋白质组学的方法来富集半胱氨酸,大大提高了可检测到的半胱氨酸的位点的数量。再结合 TMT 标记技术,实现了在一个实验中同时分析多个生物学重复。

作者检测了年轻小鼠和老年小鼠的10个不同器官以及组织中的半胱氨酸的氧化程度,组成Oximouse数据库,共定量到171,000个组织特异的半胱氨酸,匹配到9,400个蛋白质对应到34,000个独有位点。这些位点的数量达到了前人能检测到的几十上百倍,并且绝大多数位点从来没有被检测到过。

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图一:小鼠体内组织特异性氧化还原修饰的全面定量研究

 

2.氧化还原调节蛋白的特征

在大多数组织中,生物学重复中的半胱氨酸氧化状况非常一致。尽管各组织间氧化还原蛋白组具有相似的群体特征,但每个组织中许多高度修饰的位点在该特定组织中都是修饰的。进一步分析发现广泛的蛋白质表达受到氧化还原调节的影响,这种调节在每个组织中都是特异的,很可能是局部上游氧化还原代谢的结果。

作者结合Oximouse数据集和BioPlex 2.0平台来定义氧化还原修饰的蛋白质网络,在BioPlex 2.0中建立的1320个蛋白网络中,有几百个网络在至少一个组织中显示了对半胱氨酸的协同氧化还原调节,几乎所有的氧化还原网络都表现出一定程度的组织选择性。研究结果表明半胱氨酸氧化还原敏感性由近端带电氨基酸编码。这些发现也说明可以利用Oximouse作为框架来探索组织中氧化还原调节的新机制。

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图二:体内氧化还原调节蛋白网络

 

 

3.全球老化重塑组织特异性半胱氨酸氧化网络

RROS失调在年龄依赖性疾病和组织功能障碍中的重要性已得到重视,但仍缺少ROS信号在哺乳动物衰老机制中的细节。因此作者又探索了年龄对小鼠组织半胱氨酸氧化网络的影响。尽管衰老过程中的蛋白质组具有一致的群体特征,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相应的年轻组织有很大的区别。值得注意的,在年轻组织中发现的许多高度修饰位点在老年组织中丢失,这些年龄特异性特征也具有组织特异性。

 

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图三:衰老过程中重建组织特异性半胱氨酸氧化网络

 

 

4.蛋白质疾病网络的年龄依赖性氧化还原调节

ROS的失调与许多年龄相关的疾病有关,本研究系统地确定了由半胱氨酸氧化控制的协同调节过程,这些过程随年龄的变化而改变。确定了几十个氧化还原网络,这些网络对衰老组织是特异的,并且在至少一个组织中表现出半胱氨酸的协同氧化还原调节。这些“年龄特异性”氧化还原网络中,大多数表现出显著的组织选择性。此外,作者发现在年轻老鼠身上发现的数百个氧化还原网络在老年组织中丢失。Oximouse数据集提供了疾病和组织特异性图谱,了解ROS在年龄相关组织功能障碍中的作用机制。

 

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图四:蛋白质疾病网络的年龄依赖性氧化还原调节

 

结论

研究人员开发了一种新技术,利用CPTs标记提高半胱氨酸的覆盖率,再结合TMT标记蛋白组学,从而实现了大规模地构建蛋白质半胱氨酸在体内的定量蛋白质氧化还原图谱,其中多种氧化还原反应调节蛋白和网络参与生理健康和衰老。总之,这项工作为理解体内氧化还原信号的机制靶标研究提供了基础。

 

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