——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
金屬蛋白約占整個蛋白質(zhì)組的三分之一或更多，其中金屬離子在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、催化反應(yīng)、功能調(diào)控以及信號傳導(dǎo)等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些金屬蛋白參與調(diào)控幾乎所有生命過程。然而，現(xiàn)有的金屬蛋白組學(xué)研究仍存在局限，如分析深度不足、金屬結(jié)合位點難以精準定位，或研究的金屬離子種類較為單一（多集中于鋅或鐵）。因此，系統(tǒng)性地繪制哺乳動物細胞中多種金屬離子的全景“金屬蛋白質(zhì)組”圖譜，依然是一個尚未被充分解決的科學(xué)難題。
2025年10月17日，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心張耀陽研究員團隊在 Science Advances雜志發(fā)表題為 CysMP reveals metal ion-specific metalloproteomes and copper-regulated PGK1 activity in glycolysis的論文，首次開發(fā)了一種全新的半胱氨酸特異性金屬蛋白組分析策略——Cysteine-centered Metalloproteome Profiling（CysMP）（圖1）。該方法為解碼人體金屬蛋白質(zhì)組提供了高靈敏、高通量和高特異性的技術(shù)支持，并為系統(tǒng)研究金屬蛋白質(zhì)組提供了創(chuàng)新性解決方案。
圖1 CysMP策略流程圖
CysMP 方法結(jié)合半胱氨酸化學(xué)探針與特異金屬蛋白組重建技術(shù)，在哺乳動物細胞中系統(tǒng)解析了11種與人類生理病理密切相關(guān)的關(guān)鍵金屬離子，包括鋅(Zn2+)，銅(Cu2+)，鈣(Ca2+)，鈷(Co2+，鎳(Ni2+)，錳(Mn2+)，鐵(Fe3+和Fe2+)，銻(Sb3+)，鉻(Cr3+)，和錫(Sn2+)，與蛋白質(zhì)之間的互作，鑒定到 8895 個半胱氨酸位點金屬結(jié)合位點，覆蓋 4150 種蛋白質(zhì)，形成目前已知最全面的半胱氨酸金屬結(jié)合數(shù)據(jù)集（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，不同金屬離子在蛋白結(jié)合上表現(xiàn)出特異性和偏好性，其中銅和鋅的蛋白互作范圍最廣，涉及多個關(guān)鍵生命過程，揭示了大量潛在的金屬蛋白，為進一步研究金屬離子生物學(xué)功能奠定基礎(chǔ)。
圖2 CysMP繪制11種金屬-半胱氨酸作用位點圖
在功能驗證中，研究團隊發(fā)現(xiàn)銅和鋅能夠結(jié)合并抑制關(guān)鍵代謝酶 5’-甲硫腺苷磷酸化酶（MTAP），導(dǎo)致 MTA（5’-甲硫腺苷）積累并影響下游代謝。更重要的是，研究首次發(fā)現(xiàn)銅離子可抑制糖酵解關(guān)鍵酶磷酸甘油酸激酶1（PGK1）活性，從而下調(diào)多種糖酵解相關(guān)代謝水平，顯著降低細胞活力。這一發(fā)現(xiàn)為銅死亡（cuproptosis）機制提供了分子層面的新證據(jù)，揭示銅離子通過調(diào)控關(guān)鍵代謝酶活性參與細胞命運調(diào)控。
CysMP 生成的數(shù)據(jù)集為研究金屬離子失調(diào)與蛋白質(zhì)組功能及疾病（如癌癥、代謝性疾病和神經(jīng)退行性疾病）之間的關(guān)系提供了系統(tǒng)性的資源。通過將金屬結(jié)合事件與酶活性變化相聯(lián)系，CysMP 為靶向金屬穩(wěn)態(tài)的治療策略和精準醫(yī)學(xué)研究開辟了新的途徑。
綜上，CysMP 提供了一個金屬特異性的全景蛋白質(zhì)組學(xué)視角，系統(tǒng)解析哺乳動物細胞中金屬結(jié)合半胱氨酸位點，并揭示金屬離子在生物學(xué)調(diào)控作用。該方法實現(xiàn)了金屬種類和結(jié)合位點的雙特異性分辨率，克服了傳統(tǒng)金屬蛋白研究策略的局限性，為金屬蛋白質(zhì)組學(xué)研究設(shè)立了新標準。
本研究第一作者為中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生袁亞梅。生物與化學(xué)交叉研究中心朱正江研究員及天津科技大學(xué)王洪彬教授為本工作提供了重要支持。本項目得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院及上海市科委的基金支持。
