翻译后修饰，包括磷酸化、乙酰化和甲基化，在调节蛋白质功能中扮演重要角色。识别特定位点上修饰残基的阅读器蛋白质是控制许多细胞过程的重要蛋白质类别，研究阅读器蛋白对于理解翻译后修饰的机制至关重要。组蛋白赖氨酸甲基化具有染色质调控的关键功能，而赖氨酸甲基化的失调可能驱动癌症，许多甲基赖氨酸阅读器蛋白质的抑制剂可用于开发药物。而甲基赖氨酸位点和已识别阅读器的数量之间存在巨大差距，迫切需要研究新的甲基赖氨酸阅读器，用于全面了解细胞中的赖氨酸甲基化。传统的pull-down方法难以鉴定低亲和度的阅读器蛋白，光交联方法引入的交联基团则可能干扰甲基赖氨酸与阅读器之间的原始结合。近期，西湖大学吴明轩课题组在Nature Chemistry上在线发表了题为“Single-electron transfer between sulfonium and tryptophan enables site-selective photo crosslinking of methyllysine reader proteins”的文章，利用锍作为甲基赖氨酸的模拟物和交联弹头，依赖于特定的阅读器-配体结合驱动的电子给体-受体相互作用，选择性地在UVB辐照下与激发的色氨酸交联，用于研究细胞和组织样本中的甲基赖氨酸阅读器。作者设计了Norleucine-ε-dimethylsulfonium (NleS+me2) 作为甲基赖氨酸的模拟物，因为NleS+me2 和二甲基赖氨酸 (Kme2) 具有相同的正电荷和相似的分子形状，可能与阅读器的芳香笼在同一水平上发生相互作用；其次，NleS+me2 是缺电子的，有潜力与色氨酸的富含电子的吲哚发生反应；第三，锍在单电子转移 (SET) 上是活跃的，并具有共轭能力。首先合成了组蛋白 H3K9me2的模拟物H3K9NleS+me2，并利用研究充分的阅读器CBX1作为模型评估模拟物的结合性能。等温滴定量热分析 (ITC) 数据显示H3K9NleS+me2与 CBX1的结合水平与H3K9me2相当，质谱分析则表明，30分钟的305 nm紫外光照后可完全转化为交联产物。 ![]()
进一步的研究反应机理发现，交联取决于CBX1和锍肽段之间的结合，交联位点为结合口袋内的Trp42而非口袋外的Trp52，在变性条件下或H3K9me2竞争结合时，均无法生成交联产物。反应依赖于吲哚的紫外吸收，UVB波段可引发反应而UVA波段则无法引发。推测的反应机理如图1所示。随后作者通过实验证明，该交联反应具有位点选择性，H3K9NleS+me2肽与短色氨酸肽以及包含多个色氨酸残基的蛋白质，包括牛血清白蛋白（BSA）等，在标准反应条件下，没有检测到交联产物生成。且该结合也具有阅读器专一性，底物模拟肽仅能与对应的阅读器发生交联。
在此基础上，作者将这种新的交联策略应用在细胞核阅读蛋白的研究中，结果表明，在复杂的蛋白质组中，锍探针能够选择性交联各种类型的甲基赖氨酸结合蛋白。由于交联是在特定残基上，因此可以通过交联质谱（XL-MS）研究蛋白质组中与甲基赖氨酸肽段相互作用的特定色氨酸（如图2所示）。另一方面，这种反应范围可以扩展到任何与锍接近的色氨酸，这可由蛋白质-配体相互作用驱动，适用于开发锍探针，以基于特定的蛋白质-配体相互作用交联邻近的色氨酸。由于蛋白质组中色氨酸的微环境多样，这种交联具有广泛的应用潜力，可以发展新的化学生物学生物正交工具（如图3所示）。
综上所述，作者基于单电子转移机理，开发了新型甲基赖氨酸阅读器光交联策略，在特定的阅读器-配体结合驱动的电子给体-受体相互作用下，锍肽段选择性地在305 nm紫外光照下与芳香笼内激发的色氨酸交联。这种方法可以广泛用于研究细胞和组织样本中的甲基赖氨酸阅读器，并可以据此开发色氨酸位点选择性的交联策略。 审核：乔利鹏
作者信息
吴明轩博士
西湖大学理学院
2004-2010年于上海交通大学生命科学与技术学院获得学士和硕士学位
2015年于普林斯顿大学化学系获得博士学位
长期从事化学生物学领域研究，通过有机小分子合成和蛋白质半合成开发使用化学工具，探索生物医学的基础问题，从而帮助研发新型药物治疗癌症等疾病。
