专家点评Nat Chem Biol丨杨靖/迟浩团队合作开发一种针对化学蛋白质组探针的评测工具

点评 | 叶明亮（中国科学院大连化学物理研究所）、王初（北京大学）

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化学蛋白质组学是研究蛋白质功能、修饰、互作和发现小分子化合物靶标的重要工具 【1】 。开发兼具高效性和专属性的探针是化学蛋白质组学领域的核心内容，但极具挑战。一方面，在生物系统中，高度复杂的化学环境可能“放大”探针的潜在副反应，造成意料之外的蛋白质修饰；另一方面，探针以及探针修饰可能在样品处理过程中发生“变异”，使数据分析复杂化。在模型小分子或重组蛋白水平上的测试难以全面反映一种探针的性能，有必要在蛋白质组层面上对探针的标记效率与选择性进行评估。然而，该领域长期以来缺乏统一、客观的评测方法。

2017年，国家蛋白质科学中心 （凤凰中心，北京） 杨靖 课题组提出一种“干湿结合”的解决方案 【2】 。在“湿实验”阶段，通过化学手段，对探针修饰 （Probe-derived modification, PDM） 进行同位素标记，使之在质谱分析中形成一对轻重同位素峰簇，以此区别于内源性翻译后修饰；在“干实验 （计算） ”阶段，采用开放式搜索策略，无偏性地从质谱数据中挖掘所有可能的修饰信息，并利用同位素特征识别探针修饰。基于该方案，杨靖课题组近年来合作发展了一系列针对半胱氨酸氧化还原修饰的化学选择性探针，并广泛用于氧化还原蛋白质组学研究 【3-6】 。尽管如此，在“干实验”层面仍然存在诸多挑战。首先，大多数开放式搜索算法无法报告修饰的精确质量及其定位；其次，带有同位素标签的探针修饰需从几十到数百种测得质量中人工筛选获取；再者，许多开放式搜索工具的安装和使用均较为复杂，且输出信息的冗余度高，限制了上述策略在领域内的进一步推广。

针对上述挑战，2022年7月21日，杨靖课题组与中科院计算技术研究所迟浩团队合作在Nature Chemical Biology杂志上发表了文章 A modification-centric assessment tool for the performance of chemoproteomic probes ， 发展了首个专门用于化学蛋白质组探针评测的开源式计算工具-pChem （下载链接：http://pfind.org/software/pChem/） 。

pChem基于我国首个具有自主知识产权的计算蛋白质组平台pFind开发 ^【7】 ，在后者开放式搜索功能基础上，对结果进行系统的校正、归并、筛选、排序，自动地、无偏性地识别带有同位素标签的探针修饰，并计算其精确分子量、残基定位概率、质谱特征丢失等关键信息 （图1，左） 。此外，pChem可为探针开发者提供一种可视化的评测报告，包含标记效率得分、修饰均一性得分和位点选择性得分 （图1，右） 。值得一提的是，pChem为免安装程序，在默认设置下可实现“一键运行”，适用于计算科学“零基础”用户。

图1. pChem输出结果一览。

综上，pChem不仅能够提升化学蛋白质组探针开发的效率和水平，而且其算法框架的灵活性使其有望被拓展至其它应用场景，如RNA-蛋白质交联研究、药物代谢激活研究、内源性新修饰发现等等。在Nature Chemical Biology同期上线的评述 Probing the secrets of probes  中，苏黎世联邦理工学院的Alexander Leitner教授高度评价了该工作，指出pChem为全面认识化学探针提供了一种强有力的解决方案。

河北大学与凤凰中心联合培养的2020级硕士研究生贺继祥与中国科学院计算技术研究所2019级硕士研究生费政聪为本论文的共同第一作者，杨靖研究员和迟浩研究员为本文共同通讯作者。本文也得到贺福初院士、贺思敏研究员等领域内诸多专家的支持和帮助 （详见论文致谢部分） 。

专家点评

叶明亮 （中国科学院大连化学物理研究所）

在生命科学的多组学时代，化学蛋白质组学正源源不断地提供形形色色的探针，这些探针通常认为可以特异性地靶向蛋白质的特定残基，在蛋白质组的海洋里钓取功能性蛋白并报告位点信息。但是实际上探针对蛋白的标记很可能会对多个不同残基引入不止一种衍生修饰，从而造成分析灵敏度低，甚至导致假阳性鉴定。随着探针库的日益扩增，对这些探针的反应活性进行全面系统的评估就非常必要，近期杨靖团队和迟浩团队共同开发的pChem为此提供了强大的工具。

pChem可以非先验的自动化获取探针衍生修饰 (PDM) 的精确质量偏移并定位到具体氨基酸残基，并最终给出三个维度的信息以评估探针的性能：PDM homogeneity （探针引起几种可能的PDM，哪种PDM占主导？） 、Residue selectivity （探针主要修饰在哪种氨基酸上？） 、Profiling efficiency （探针标记的富集鉴定效果如何？） 。为了展示pChem的性能，作者将pChem应用于18个生物正交探针，发现了11个以前未知但可预期结构的PDM。作者进一步将pChem新发现的PDM添加检索，显著提高灵敏度。

通过揭示探针在复杂蛋白质组中的交叉反应性，pChem将能助力探针的研发，极大促进化学蛋白质组学的发展。

专家点评

王初 （北京大学）

化学蛋白质组学技术近年来成为在复杂生物样品中鉴定蛋白质翻译后修饰和活性小分子靶标的有力工具。然而作为该技术的核心元件，化学探针由于所处环境的复杂性会发生“意料之外”的副反应，使组学数据分析的难度进一步增加。在本工作中，杨靖、迟浩等建立了一种新颖的用于评估化学蛋白质组学探针的评测工具pChem。该方法不仅可以对组学样品中的目标探针标记位点添加特征识别信号并提供准确详尽的分析报告，而且还有望进一步发现蛋白质组中潜在的“未知修饰”位点。作为首个具有国内自主知识产权的功能蛋白质组学数据分析工具，pChem具有很高的学术创新性和用户适用性，将进一步推动国际和国内化学生物学和功能蛋白质组学领域的蓬勃发展！

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41589-022-01074-8

评述链接：https://doi.org/10.1038/s41589-022-01092-6

制版人：十一

参考文献

1. Parker, C.G. & Pratt, M.R. Click Chemistry in Proteomic Investigations. Cell 180, 605-632 (2020).

2. Sun, R. et al. Chemoproteomics reveals chemical diversity and dynamics of 4-Oxo-2-nonenal modifications in cells. Mol Cell Proteomics 16, 1789–1800 (2017).

3. Shi, Y., et al. Wittig reagents for chemoselective sulfenic acid ligation enables global site stoichiometry analysis and redox-controlled mitochondrial targeting. Nat Chem. 13, 1140–1150 (2021).

4. Meng, J. et al. Global profiling of distinct cysteine redox forms reveals wide-ranging redox regulation in C. elegans. Nat Commun. 12, 1415 (2021).

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

6. Akter, S. et al. Chemical proteomics reveals new targets of cysteine sulfinic acid reductase. Nat Chem Biol. 14, 995–1004 (2018).

7. Chi, H. et al. Comprehensive identification of peptides in tandem mass spectra using an efficient open search engine. Nat Biotechnol. 36, 1059–1061 (2018).

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