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北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院雷曉光課題組、唐淳課題組與合作者-北京生命科學(xué)研究所董夢秋課題組在《Nature Communications》雜志上發(fā)表合作論文，題目為：“Characterization of protein unfolding by fast cross-linking mass spectrometry using di-ortho-phthalaldehyde cross-linkers”。該研究報(bào)導(dǎo)了一類最新開發(fā)出的、賴氨酸選擇性的化學(xué)交聯(lián)劑DOPA （di-ortho-phthalaldehyde cross-linkers）；并且證明DOPA交聯(lián)劑具有不易水解、反應(yīng)速度快、以及對(duì)低溫、低pH和變性劑具有良好兼容性等特點(diǎn)；該化學(xué)交聯(lián)劑被成功運(yùn)用于捕獲蛋白質(zhì)變性去折疊的中間態(tài)和終態(tài)構(gòu)象，以及追蹤蛋白質(zhì)構(gòu)象變化等重要生命過程，從而推動(dòng)了化學(xué)交聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，提升了其在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能解析中的應(yīng)用前景。

化學(xué)交聯(lián)結(jié)合質(zhì)譜技術(shù) (chemical cross-linking coupled with mass spectrometry, CXMS) 是近年來迅猛發(fā)展的一種檢測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)相互作用的方法。隨著質(zhì)譜儀器以及交聯(lián)數(shù)據(jù)搜索算法的發(fā)展，CXMS技術(shù)已經(jīng)獲得了長足的進(jìn)步。除此之外，新型交聯(lián)劑的開發(fā)也是推動(dòng)該技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。賴氨酸是一類含量豐富的氨基酸 (約7%)，CXMS技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的交聯(lián)反應(yīng)也是基于賴氨酸側(cè)鏈氨基的反應(yīng)。現(xiàn)階段商業(yè)可得的賴氨酸交聯(lián)劑大多包含琥珀酰亞胺酯或亞氨酸酯活性基團(tuán)，如雙琥珀酰亞胺辛二酸酯 (DSS)。雖然此兩類活性酯獲得了一定的應(yīng)用，但其存在易水解而失效的缺陷。因此開發(fā)一類不水解、高選擇性的賴氨酸交聯(lián)劑具有重要意義。

基于此，為了進(jìn)一步豐富交聯(lián)劑的種類，研究人員發(fā)展了一系列基于鄰苯二甲醛 (ortho-phthalaldehyde) 結(jié)構(gòu)的賴氨酸選擇性交聯(lián)劑，命名為DOPA，DOPA交聯(lián)劑可以有效地連接蛋白質(zhì)表面兩個(gè)賴氨酸殘基，圖1。尤其是DOPA2交聯(lián)劑在蛋白混合物上展現(xiàn)出較高的交聯(lián)反應(yīng)效率，圖2。

圖1. DOPA交聯(lián)劑與賴氨酸特異性發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)

圖2. DOPA交聯(lián)劑在十個(gè)蛋白混合物中的交聯(lián)表現(xiàn)

研究人員進(jìn)一步探究DOPA交聯(lián)劑性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)DOPA交聯(lián)劑展現(xiàn)出了不水解、反應(yīng)速度快、耐低溫、低pH和變性劑的特性，因此決定將其運(yùn)用到蛋白質(zhì)變性去折疊過程中結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化研究。在金黃色葡萄球菌核酸酶（SNase），牛血清白蛋白（BSA）和牛胰腺核糖核酸酶A（RNaseA）變性去折疊過程中，DOPA2成功捕捉到了蛋白從折疊態(tài)到去折疊態(tài)的轉(zhuǎn)換。如DOPA2捕獲了牛胰腺核糖核酸酶A（RNaseA）在8M尿素中的連續(xù)變性過程，再結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，獲得了RNaseA去折疊中間體的構(gòu)象集合，圖3。DOPA交聯(lián)劑的這些特點(diǎn)成功拓展了CXMS技術(shù)的應(yīng)用范圍，使該技術(shù)研究蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化成為可能。

圖3. DOPA2交聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)分析RNaseA在8M尿素中的變性過程

雷曉光教授，董夢秋研究員和唐淳教授為該論文共同通訊作者。董夢秋課題組王建華博士和雷曉光課題組唐毓良博士為該文章共同第一作者。該工作還得到了中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院龔洲博士，馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院Rohit Jain博士，原董夢秋課題組譚丹博士，中科院生物物理所葉克窮研究員，北京生命科學(xué)研究所黃牛研究員、周宇博士，雷曉光課題組肖凡、李強(qiáng)博士以及云南大學(xué)柳樹群教授的支持。上述研究得到了科技部-國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-蛋白質(zhì)機(jī)器與生命調(diào)控專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國家研究中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、中科院和北京市卓越青年科學(xué)家計(jì)劃等科研項(xiàng)目和研究機(jī)構(gòu)的資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28879-4

參考資料：https://www.chem.pku.edu.cn/kyjz/136639.htm