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    「青蓮百奧聚焦」半胱氨酸氧化修飾檢測新思路可能揭示衰老密碼

    2020-10-24 00:00:00

    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。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。然而現有的技術由于半胱氨酸位點覆蓋率低且無法檢測ROS氧化修飾的程度,故仍未對ROS蛋白修飾進行深入以及大規模的研究。

    多組學聯合分析



    2020年3月5日,哈佛醫學院Edward T.Chouchani團隊在國際學術期刊cell上在線發表了“A Quantitative Tissue-Specific Landscape of Protein Redox Regulation during Aging”,開發了一種半胱氨酸衍生化和富集方法并結合蛋白質組學,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,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,組成Oximouse數據庫,構建了蛋白質半胱氨酸在體內的氧化還原圖譜,為理解體內氧化還原信號的機制靶標研究提供了基礎。

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    多組學聯合分析


    研究思路

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    多組學聯合分析

    結果速遞

    1.CPTs標記加深半胱氨酸蛋白質組的覆蓋度及全面定量

    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%,根據此特性,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,通過合成CPTs化合物來標記蛋白上的半胱氨酸,使標記后的半胱氨酸帶有一個磷酸基團,再通過磷酸化蛋白質組學的方法來富集半胱氨酸,大大提高了可檢測到的半胱氨酸的位點的數量。再結合 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,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。

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    圖一:小鼠體內組織特異性氧化還原修飾的全面定量研究


    2.氧化還原調節蛋白的特征

    在大多數組織中,生物學重復中的半胱氨酸氧化狀況非常一致。盡管各組織間氧化還原蛋白組具有相似的群體特征,但每個組織中許多高度修飾的位點在該特定組織中都是修飾的。進一步分析發現廣泛的蛋白質表達受到氧化還原調節的影響,這種調節在每個組織中都是特異的,很可能是局部上游氧化還原代謝的結果。

    作者結合Oximouse數據集和BioPlex 2.0平臺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,有幾百個網絡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。

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    圖二:體內氧化還原調節蛋白網絡



    3.全球老化重塑組織特異性半胱氨酸氧化網絡

    RROS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,但仍缺少ROS信號在哺乳動物衰老機制中的細節。因此作者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。


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    圖三:衰老過程中重建組織特異性半胱氨酸氧化網絡



    4.蛋白質疾病網絡的年齡依賴性氧化還原調節

    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。確定了幾十個氧化還原網絡,這些網絡對衰老組織是特異的,并且在至少一個組織中表現出半胱氨酸的協同氧化還原調節。這些“年齡特異性”氧化還原網絡中,大多數表現出顯著的組織選擇性。此外,作者發現在年輕老鼠身上發現的數百個氧化還原網絡在老年組織中丟失。Oximouse數據集提供了疾病和組織特異性圖譜,了解ROS在年齡相關組織功能障礙中的作用機制。


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    圖四:蛋白質疾病網絡的年齡依賴性氧化還原調節


    結論

    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。


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