Science Advances | 张耀阳团队开发CysMP方法绘制11种金属离子蛋白质组图谱并揭示铜离子调控PGK1新机制
金属蛋白约占整个蛋白质组的三分之一或更多,其中金属离子在蛋白质结构稳定、催化反应、功能调控以及信号传导等方面发挥着关键作用。这些金属蛋白参与调控几乎所有生命过程。然而,现有的金属蛋白组学研究仍存在局限,如分析深度不足、金属结合位点难以精准定位,或研究的金属离子种类较为单一(多集中于锌或铁)。因此,系统性地绘制哺乳动物细胞中多种金属离子的全景“金属蛋白质组”图谱,依然是一个尚未被充分解决的科学难题。
2025年10月17日,中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心张耀阳研究员团队在 Science Advances杂志发表题为 CysMP reveals metal ion-specific metalloproteomes and copper-regulated PGK1 activity in glycolysis的论文,首次开发了一种全新的半胱氨酸特异性金属蛋白组分析策略——Cysteine-centered Metalloproteome Profiling(CysMP)(图1)。该方法为解码人体金属蛋白质组提供了高灵敏、高通量和高特异性的技术支持,并为系统研究金属蛋白质组提供了创新性解决方案。
图1 CysMP策略流程图
CysMP 方法结合半胱氨酸化学探针与特异金属蛋白组重建技术,在哺乳动物细胞中系统解析了11种与人类生理病理密切相关的关键金属离子,包括锌(Zn2+),铜(Cu2+),钙(Ca2+),钴(Co2+,镍(Ni2+),锰(Mn2+),铁(Fe3+和Fe2+),锑(Sb3+),铬(Cr3+),和锡(Sn2+),与蛋白质之间的互作,鉴定到 8895 个半胱氨酸位点金属结合位点,覆盖 4150 种蛋白质,形成目前已知最全面的半胱氨酸金属结合数据集(图2)。研究发现,不同金属离子在蛋白结合上表现出特异性和偏好性,其中铜和锌的蛋白互作范围最广,涉及多个关键生命过程,揭示了大量潜在的金属蛋白,为进一步研究金属离子生物学功能奠定基础。
图2 CysMP绘制11种金属-半胱氨酸作用位点图
在功能验证中,研究团队发现铜和锌能够结合并抑制关键代谢酶 5’-甲硫腺苷磷酸化酶(MTAP),导致 MTA(5’-甲硫腺苷)积累并影响下游代谢。更重要的是,研究首次发现铜离子可抑制糖酵解关键酶磷酸甘油酸激酶1(PGK1)活性,从而下调多种糖酵解相关代谢水平,显著降低细胞活力。这一发现为铜死亡(cuproptosis)机制提供了分子层面的新证据,揭示铜离子通过调控关键代谢酶活性参与细胞命运调控。
CysMP 生成的数据集为研究金属离子失调与蛋白质组功能及疾病(如癌症、代谢性疾病和神经退行性疾病)之间的关系提供了系统性的资源。通过将金属结合事件与酶活性变化相联系,CysMP 为靶向金属稳态的治疗策略和精准医学研究开辟了新的途径。
综上,CysMP 提供了一个金属特异性的全景蛋白质组学视角,系统解析哺乳动物细胞中金属结合半胱氨酸位点,并揭示金属离子在生物学调控作用。该方法实现了金属种类和结合位点的双特异性分辨率,克服了传统金属蛋白研究策略的局限性,为金属蛋白质组学研究设立了新标准。
本研究第一作者为中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生袁亚梅。生物与化学交叉研究中心朱正江研究员及天津科技大学王洪彬教授为本工作提供了重要支持。本项目得到了国家自然科学基金、中国科学院及上海市科委的基金支持。
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adx7035
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