Nat Chem 丨 “教科书化学”的新用途，杨靖团队合作开发氧化还原修饰组分析新工具

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蛋白质半胱氨酸残基 （Cys） 具有从-2到+6的多重氧化态，一直是氧化还原生物学研究的核心。其中，次磺酸氧化态 （Cys-SOH） 是半胱氨酸与内源性氧化信号分子--过氧化氢 （H₂O₂） 反应的首个产物，既可作为反应中间体，进一步转化为其它氧化修饰 （如二硫键，亚磺酸等） ；也可直接作为分子开关，可逆地调节蛋白质结构与功能。蛋白质次磺酸修饰的生物半衰期极短，无法被免疫法或者质谱法直接检测，故其分析主要依赖于能够选择性与之反应的化学探针 【1】 。过去几十年间，次磺酸探针的设计主要基于环己二酮 （如Dimedone） 及其衍生物，反应速率低，制约了该修饰的活细胞检测与组学分析 【2】 。

2021年9月16日，国家蛋白质科学中心 （凤凰中心，北京） 杨靖实验室与美国斯克里普斯研究所 （Scripps Research） 的Kate Carroll实验室合作在Nature Chemistry上发表了题为 Wittig reagents for chemoselective sulfenic acid ligation enables global site stoichiometry analysis and redox-controlled mitochondrial targeting  的研究论文 【3】 。这项研究将经典有机合成中的维蒂希试剂 （Wittig reagents） 首次运用于化学生物学研究 （图1） 。具体而言，作者基于维蒂希试剂开发了WYne系列“可点击”探针，通过体外、细胞实验，证明它们能与次磺酸发生选择性反应，速率可达现有次磺酸检测试剂如Dimedone的1500倍。利用其中名为WYneN的探针，作者发展了一种针对细胞中次磺酸修饰组的定量化学蛋白质组分析方法，于A549细胞中鉴定并定量超过2000个次磺酸修饰位点。更重要的是，通过次磺酸探针WYneN与硫醇探针IPM的联合运用 【4】 ，该研究首次计算了超过6500个半胱氨酸残基上次磺酸的修饰占比 （%SOH） 。作者发现，与磷酸化和乙酰化类似，大多数具有调控功能的次磺酸修饰无需过高占比。

图1. WYne系列探针用于次磺酸修饰组分析。

最后，鉴于维蒂希试剂的三苯基磷基团 （TPP⁺） 具有线粒体靶向性 【5】 ，作者进一步拓展了该经典试剂在氧化还原生物学和化学生物学中的应用范畴。其一，作者发展了一种WYneN的疏水衍生物-WYneN10，结合荧光成像技术，用于监测活细胞线粒体中次磺酸变化。其二，维蒂希试剂能在氧化应激条件下，将小分子载荷递送到活细胞的线粒体基质之中 （图2） 。例如，作者将载荷 （如辅酶Q10的衍生物） 与维蒂希试剂共同加入细胞中，并发现载荷仅在次氯酸生成条件下被线粒体富集。

图2. 氧化剂激活小分子载荷（蓝色）与维蒂希试剂反应，实现线粒体靶向递送。

综上所述， 基于维蒂希试剂的生物正交反应不仅为氧化还原生物学和半胱氨酸修饰组学研究提供了有力的新工具，也为线粒体靶向药物递送提供了一种新思路。

史云龙博士为该文章第一作者，付玲博士为第二作者，杨靖研究员和Kate S. Carroll教授为共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00767-2

制版人：十一

参考文献

1. Paulsen, C. E. et al. Cysteine-mediated redox signaling: chemistry, biology, and tools for discovery. Chem. Rev. 113, 4633–4679 (2013).

2. 杨靖. 半胱氨酸氧化还原修饰组分析：进展与展望. 中国科学: 生命科学. 51, https://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSV-2020-0393 (2021)

3. Shi, Y. et al. Wittig reagents for chemoselective sulfenic acid ligation enables global site stoichiometry analysis and redox-controlled mitochondrial targeting. Nat. Chem. https://www.nature.com/articles/s41557-021-00767-2 (2021).

4. Fu, L. et al. A quantitative thiol reactivity profiling platform to analyze redox and electrophile reactive cysteine proteomes. Nat. Protoc. 15, 2891–2919 (2020).

5. Zielonka, J. et al. Mitochondria-targeted triphenylphosphonium-based compounds: syntheses, mechanisms of action, and therapeutic and diagnostic applications. Chem. Rev. 117, 10043–10120 (2017).

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