ABPP技术介绍
基于活性的蛋白质谱(activity-based protein profiling,ABPP)是一种化学蛋白质组学方法,它结合基于活性的探针(activity-based probe,ABP)和蛋白质组学技术来鉴定活性小分子的蛋白质靶标,以帮助阐明活性小分子发挥作用的机理。
ABPP主要实验步骤
1. 探针制备:活性分子探针的设计合成,以及探针活性鉴定
2. 将探针与总蛋白孵育(或与细胞孵育后提取总蛋白)
3. 上述孵育完成后,先后进行UV照射(使活性分子与靶蛋白共价相连)、 点击化学反应(给活性分子引入报告基团,如生物素)
4. 通过报告基团对靶蛋白进行富集鉴定
ABPP实验基本流程图
文献案例解读
JACS | 中国医学科学院北京协和医院药物研究所耿轶群团队开发果糖-1, 6-二磷酸的光亲和标记探针实现FBP-蛋白质互作组学分析
果糖-1,6-二磷酸(FBP)作为糖酵解途径中的关键代谢物,近年来被发现还作为信号分子,参与调节多种生理和病理过程。然而,FBP与其互作蛋白的调控机制仍有许多未解之谜。2024年5月22日,中国医学科学院北京协和医院药物研究所耿轶群团队在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上在线发表了一篇题为“Chemoproteomic Profiling of Signaling Metabolite Fructose-1,6-Bisphosphate Interacting Proteins in Living Cells”的研究论文。该研究通过设计FBP的光亲和探针,在活细胞中成功鉴定出多种FBP互作蛋白,并揭示了FBP及其靶蛋白ALDH2在线粒体途径中介导的糖代谢信号感知机制。
主要研究结果
1.光亲和FBP探针的设计合成
首先,作者们在设计光亲和FBP探针时,考虑到探针应包含光活性基团和生物正交手柄,以便在实验过程中能够有效地捕捉和标记目标蛋白质。同时,为了确保探针能够保留FBP与其靶标结合的真实特性,探针设计必须保留糖磷酸骨架。基于这些考虑,研究团队决定在FBP的呋喃环C4-OH位置引入市售的双吖丙啶-炔基“极简”连接子。
具体合成步骤包括:首先用TBS基团保护伯羟基,接着用异丙叉保护C-2和C-3位置的羟基,然后通过酯键将连接子引入C-4羟基,最后进行磷酸化反应,最终得到目标探针分子。
合成路线如下图所示:
图1 光亲和FBP探针(PA-FBP)的化学合成路线
2.FBP与互作蛋白的化学蛋白质组学分析
研究者在获得的光亲和性FBP探针(PA-FBP)后,首先通过凝胶内荧光扫描以确定其在活细胞和细胞裂解液中的标记效果(图2A)。加速的有氧糖酵解被称为Warburg效应,也被认为是癌症的标志,而FBP在包括肝细胞在内的癌症中高度积累,因此作者采用HepG2细胞进行了该细胞中FBP相互作用蛋白的化学蛋白质组学分析。
在探针标记中,作者将PA-FBP与活性的HepG2细胞共孵育,然后进行紫外线照射(365nm,5min)以实现光交联。然后在活细胞标记的情况下进行裂解,并通过点击化学与TAMRA-叠氮化物结合。最后通过SDS-PAGE结合凝胶内荧光扫描进行可视化(图2A)。结果表明PA-FBP的标记依赖于紫外照射(图2B),PA-FBP与靶标之间是非共价互作,HepG2细胞中的代谢标记也表明PA-FBP具有细胞膜通透性,并能进入细胞内基质中。
随后为确认FBP的细胞通透性,研究者也通过了LC-MS/MS进行鉴定,并通过增加浓度的PA-FBP或延长孵育时间等方式确定了PA-FBP对细胞蛋白质组的标记呈浓度依赖性,并最终确定1 mM的PA-FBP为工作浓度(图2C),并根据孵育时间的标记效率,确定概率90min作为探针与活细胞的最佳孵育时间(图2D)。同时PA-FBP不具有细胞毒性(图2E),并且与FBP蛋白活性一致,PA-FBP能捕获已知的FBP配体蛋白(图2F)。
综上证实了PA-FBP可作为化学探针捕获与鉴定与FBP互作蛋白。
图2 HepG2细胞中FBP互作蛋白的凝胶内荧光谱
随后研究者通过定量质谱对HepG2细胞中的FBP蛋白进行了蛋白质组学定位,并进一步通过点击化学将PA-FBP光交联蛋白与生物素叠氮偶联,获得生物素标记的蛋白,最后采用链霉亲和素包被的树脂富集后进行LC-MS/MS鉴定(图3A)。并通过GO分析和KEGG功能通路分析(图3B, C)确定了PA-FBP富集的蛋白定位于各种细胞成分,参与蛋白结合,核酸结合及ATP结合等,并参与多种代谢通路。
图3 HepG2细胞中FBP互作蛋白的MS鉴定
3.FBP互作蛋白鉴定
为进一步阐明FBP互作蛋白在包括癌症在内的多种疾病中的功能意义,作者通过Western blot验证了PA-FBP处理HepG2细胞并采用点击化学将其与生物素叠氮结合,通过链霉亲和素树脂富集的蛋白,鉴定到ALDH1B1、ALDH2
XRCC5、XRCC6和VIM这6种蛋白可被PA-FBP以紫外线依赖的方式捕获,并可被FBP竞争抑制(图4A)。ALDH1B和ALDH2是线粒体代谢酶乙醛脱氢酶家族成员,ALDHs是NAD+依赖性酶家族,在酒精中毒中发挥主要作用,是KEGG分析出的通路之一,而在包括直肠癌在内的几种癌症中,观察到ALDH1B1表达及酶活较高,ALDH2表达水平降低可促进肝细胞癌的进展。而FBP能进入线粒体和细胞核调节相关通路的研究仍是一片空白。研究者发现FBP对ALDH2酶具有抑制活性(图4B),检测到IC50为1.318±0.350 mM。为进一步验证FBP与ALDH2相互作用,研究者采用微量热泳动实验(MST)对FBP与ALDH2的平衡解离常数进行了测定,实验中采用氨基偶联标记试剂盒对ALDH2蛋白的赖氨酸残基进行标记,并将FBP蛋白与ALDH2蛋白混合共孵育,最后采用NanoTemper的MST仪器测量,最终测得FBP与ALDH2的平衡解离常数Kd为0.384±0.132 mM (图4C)。后续,研究者又通过激光共聚焦成像显示PA-FBP与ALDH2的共定位以及ALDH2与线粒体标记MitoTracker标记的共定位,结果证实了FBP与线粒体代谢酶ALDH2的直接相互作用(图4D,E)。
MST实验方法
ALDH2 (ab87451, Abcam) was labeled on lysine residues using the Protein Labeling Kit RED-NHS 2nd Generation (NanoTemper Technologies). Measurements were carried out in MST-buffer (50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 100 mM NaCl, 0.05% Tween-20). The labeled protein was mixed with FBP and incubated for 5 min at room temperature before being loaded into Monolith NT.115 Capillaries (NanoTemper Technologies). Samples were then transferred into the Monolith NT.115 device and MST experiments were carried out at Nano-red. MST was measured using a Monolith NT.115 instrument (NanoTemper Technologies) at an ambient temperature of 23.5 oC. Instrument parameters were 20% excitation power and Medium MST power. Error bars = SD. from two independent experiments.
Fluorescence imaging
To determine the subcellular localization of the PA-FBP, HepG2 cells were plated in 8well coverslips (Cellvis, C8-1.5H-N) overnight to reach 70% confluence. The growth medium was aspirated, and the cells were incubated with 10 mM PA-FBP at 37 °C for 90 min. The cells were washed with PBS for three times, and the cells was exposed to 365nm UV light for 5 min on ice, as described above. Cells were treated with 0.1% TritonX100/PBS and then were fixed with 4% Paraformaldehyde Fix Solution for 15 min. Fixed cells were washed 3 × 5 min with PBS. The cells were reacted with 50 µM CuSO4/BTTAA (1:6), 50 µM TMARA-N3 (82561-66-9), and 2.5 mM sodium ascorbate for 15 min at room temperature in the dark. The reaction mixture was aspirated, and the cells were washed 3 × 5 min with PBS. The fixed cells were blocked at room temperature for 30 min, and the cells were washed 3 × 5 min with PBS. The cells incubated with primary antibodies at room temperature for 1 h followed by incubation with secondary antibodies, Hoechst and MitoTracker Deep Red at room temperature for 30 min. The cells were washed 3 × 5 min with PBST and the coverslips were then imaged on a Zeiss LSM880 confocal microscope.
图4 FBP互作蛋白鉴定
为了更深入地探讨FBP对ALDH2的抑制机制,研究者进行了额外的酶动力学分析,使用FBP与不同浓度的乙醛或NAD+对ALDH2进行了实验(图5A,B)。结果显示,FBP对乙醛底物或辅因子NAD+表现出非竞争性抑制,这暗示FBP可能作用于ALDH2的一个变构位点。随后,又采用光交联策略来定位FBP在ALDH2上的结合位点并鉴定出一个包含四个假定交联残基T339、E340、D346和E347的肽段“339TEQGPQVDETQFK351”(图5C)。这表明FBP与ALDH2的结合事件以特定的方式发生。将交联肽映射到human ALDH2的晶体结构(PDB entry:8DR9),发现交联位点位于NAD+结合位点附近(图5D)。研究者通过SYBYL进行分子对接模拟,并通过Pymol和Discovery studio展示,结果显示FBP结合于交联肽段的结合界面(图5E),并且FBP上的两个磷酸盐与结合肽内的T348、Q349和K352形成氢键网络(图5F,G)。分子对接模拟计算结果与酶动力学分析一致,表明了FBP位于ALDH2上的一个变构结合位点。
图5 FBP与ALDH2的结合位点鉴定
分子对接方法
The crystal structure of human ALDH2 (in complex with NAD+ and PEG MME 550, PDB: 8DR9), was uploaded from the RCSB database at a resolution of 1.50 Å. Molecular docking simulations were carried out using SYBYL to determine the interactions between FBP and ALDH2 and identify the binding site of FBP on ALDH2. The docking complex was demonstrated by PyMOL and Discovery Studio.
活细胞中FBP-ALDH2-ROS轴的确定
研究者通过流式细胞实验发现,FBP以剂量依赖性方式增加细胞内ROS水平(图6A)。在HepG2细胞中敲低ALDH2同样导致ROS水平上升(图6B),而FBP引起的ROS增加可以通过ALDH2激活剂Alda-1恢复(图6C)。这表明FBP通过抑制ALDH2增加细胞内ROS水平。荧光成像显示,FBP浓度增加导致线粒体明显碎片化(图6D),这是由于FBP引起的氧化应激相关的剂量依赖性线粒体碎片化(图6E,F)。在敲低ALDH2的HepG2细胞中,FBP诱导的线粒体碎片化程度与正常细胞相同(图6G)。综上,FBP抑制ALDH2活性导致ROS水平上升和线粒体形态改变。
图6 HepG2细胞中FBP-ALDH2-ROS轴的测定
研究总结
在本研究中,作者设计并开发了一种光亲和FBP探针(PA-FBP)。利用该探针,研究者能够在活细胞中直接进行FBP-蛋白质互作的化学蛋白质组学分析。通过这一创新工具,作者成功捕获了FBP的新靶标蛋白ALDH2,并揭示了FBP通过抑制ALDH2导致细胞内ROS水平上调的机制。这一发现提出了一条新的FBP-ALDH2-ROS介导的葡萄糖信号转导路径,深化了我们对人类生理和病理中糖代谢信号转导的理解。
此外,这种光亲和探针的设计不仅为本研究提供了关键工具,更为未来的化学蛋白质组学研究开辟了新的模式。PA-FBP探针的成功应用展示了其在捕捉和分析蛋白质互作方面的巨大潜力,预示着这一技术将在揭示复杂生物过程和信号转导机制中发挥重要作用。
参考文献
Li T, Wang A, Zhang Y, et al. Chemoproteomic Profiling of Signaling Metabolite Fructose-1,6-Bisphosphate Interacting Proteins in Living Cells. J Am Chem Soc. 2024;146(22):15155-15166. doi:10.1021/jacs.4c01335