大家好，本周推荐一篇发表在Nature Communications上的论文，题目为“Thermal
proteome profiling reveals fructose-1,6-bisphosphate as a phosphate donor to
activate phosphoglycerate mutase 1”，通讯作者为中国医学科学院药物研究所的耿轶群研究员、张艳玲助理研究员和北京大学药学院的黎后华研究员。本文的第一作者兼通讯作者张艳玲博士为王初课题组2021届博士毕业生，曾获得北京市优秀毕业生，北京大学优秀博士论文等荣誉，其现为清华大学水木学者博士后。张艳玲博士研究方向为运用化学蛋白质组学策略鉴定内源代谢物修饰和调控蛋白。本篇工作中，作者运用热蛋白组学策略鉴定内源糖代谢物果糖-1,6-二磷酸（FBP）在肝癌细胞中的调控靶点蛋白，并且揭示其作为磷酸供体共价修饰PGAM1从而实现对糖酵解的调控。
肿瘤细胞在快速增殖过程中会发生代谢重编程，有氧糖酵解水平升高产生大量代谢中间体满足生物合成需求。这些代谢中间体可以作为信号分子，通过与重要蛋白质相互作用调节多种生理病理过程。果糖-1,6-二磷酸（FBP）是其中最为重要的一种代谢物，参与多种生命过程。例如结合糖代谢感受器ALDOA从而实现对AMPK通路的调节等。尽管已有研究识别FBP结合的蛋白质，但全局性的相互作用蛋白表征尚未探索。在这项工作中，作者利用热蛋白质组分析方法（TPP）在肝癌细胞系HepG2中研究FBP的相互作用蛋白组，识别出66种尚未报道的蛋白靶标，这些蛋白质具有不同的功能和亚细胞定位。接下来，作者通过细胞热位移实验（CETSA）验证了一系列FBP潜在靶标，结果显示FBP确实诱导了其相互作用蛋白的稳定性变化，并表明该策略是分析FBP相互作用组的有效工具。在鉴定的靶标蛋白中，很多蛋白功能涉及磷酸转移过程，例如PGAM1、PGM1、PMM2等，他们通过“乒乓机制”催化磷酸糖化合物上的磷酸异构，在细胞的能量代谢和物质合成中发挥重要作用。FBP的双磷酸糖结构与这些酶的底物非常相近，极有可能调控影响他们的酶活，为了证明这个猜测，作者通过酶活检测、MST结合等实验，证明FBP可激活PGAM1酶活性，而对PGM1和PMM2则表现出抑制作用。PGAM1是糖酵解通路中催化3-PG可逆生成2-PG的异构酶，其在多种癌细胞中高表达。其酶活依赖于活性位点11位组氨酸（His11）的磷酸化修饰。作者通过质谱鉴定、磷酸胶、WB以及酶活代谢检测等实验，证明FBP两个磷酸基团均能转移到PGAM1的11位组氨酸上形成磷酸化修饰，并激活其活性。通过进一步分子对接和动力学模拟表明FBP与PGAM1的结合涉及多个氢键，促进了磷酸基团的有效转移。突变PGAM1的关键位点显著降低了FBP的结合和磷酸化能力。接下来，为了获得更深入的分子见解，作者设计并合成了一系列FBP类似物进行构效关系研究。结果显示，这些类似物均无法磷酸化PGAM1。通过分子对接发现，尽管它们能够进入酶的催化口袋，但其磷酸无法定位于PGAM1的His11对面，表明FBP的双磷酸结构和果糖骨架对其活性至关重要。这些FBP类似物由于占据了酶的催化口袋，对PGAM1显示出抑制作用。FBP通过磷酸化组氨酸激活PGAM1，从而促进糖酵解并支持癌细胞增殖，其类似物抑制剂则显示出相反的效果，当敲除PGAM1时，抑制细胞增殖的表型消失，进一步揭示了FBP在糖酵解和癌细胞增殖过程中的重要调节功能。总之，作者通过TPP方法对FBP的相互作用蛋白进行全局性表征，并发现FBP可以作为磷酸供体修饰激活PGAM1，从而调控糖酵解和细胞增殖等生物过程。文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-024-53238-w文章引用: https://doi.org/10.1038/s41467-024-53238-w
