Cell重磅！新工具Lip-SMap描绘蛋白质和代谢物的相互作用图谱
生命活动的本源来自于体内生物分子之间复杂的相互作用和化学反应。长久以来，人们的注意力往往集中于生物大分子如蛋白质和DNA等的相互作用，而对这些大分子同小分子代谢组之间的相互作用却知之甚少。现在，人们对这些小分子代谢物的功能已经有了全新的认识。例如，很多代谢物曾经被认为仅仅是一种“代谢产物”，是一种被动接受酶催化的物质。然而随着近些年的进展，人们发现很多代谢物可以通过CoA的形式连接到氨基酸的Lysine侧链上，形成共价的化学修饰，并对蛋白质的功能起到重要的调节作用[1-2]。因此，分析这些代谢物和蛋白质之间的相互作用状态，对于理解代谢的调节过程有着重要的意义。
近日，来自苏黎世联邦理工学院的研究者在Cell上发表重要研究成果，巧妙利用代谢物的结合能够局部改变蛋白质结构的特征，开发了一种基于质谱的高通量小分子代谢物与蛋白质相互作用的高通量检测方法Lip-SMap，为该领域的研究提供了一种新的有效工具[3]。
1. Lip-Map方法检测代谢物-蛋白质互作的原理和技术路线
基于此前的研究基础，作者开发了名为Lip-Map的方法流程，如图1。首先在非变性的条件下提取蛋白质，保留其原本的空间结构。加入小分子代谢物后，如果该代谢物结合到某些蛋白质上以，就会局部改变蛋白质的结构，进行改变蛋白质被Proteinase K酶切的表位。然后，再使用常规的方法进行蛋白变性和Trypsin酶解，通过质谱分析比较差异的肽段，就可以找到这些被小分子结合的蛋白质。
图1 Lip-Map方法的技术路线流程
2. 大肠杆菌中的代谢物-蛋白质互作网络
作者选择了大肠杆菌作为测试的研究对象，分别使用20种不同的代谢中间产物来检测其与大肠杆菌蛋白的相互作用。通过实验，共检测到1,678个代谢物-蛋白质的相互作用，其中1,447个是此前从未见诸报道的。这些相互作用很多是与有机酸和糖磷酸盐相关的。作者通过和公共数据库BRENDA的比较，发现该检测方法的假阳性率不超过5.5%。这些结果证明了该方法在实际应用中的强大和准确。
3. 寻找代谢物的结合位点
除了寻找代谢物结合的蛋白，该方法还能够提供结合的位点信息，特别是催化活性位点的信息。通过结合分析大肠杆菌蛋白晶体结构的信息，作者发现异构肽段距离活性位点之间的距离为6.44埃，显著低于11.9埃平均值。这意味着确实这些结合导致的异构肽段和催化活性位点有密切的联系。
代谢物不单是蛋白质催化的产物，也可以反过来影响蛋白质的功能，事实上和蛋白质是一个相互调节的过程。目前对于共价结合的化学修饰，我们已经开发了完善的高通量检测体系[4-5]，但对于非共价的结合缺一直缺乏有效的手段。这篇文章提出了一种创新性的检测体系，并且证明了其在具体应用上的重要价值，为生化领域的研究提供了一种新的有效工具。
参考文献：
[1] Sabari B R, et al. Metabolic regulation of gene expression through histone acylations[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2017, 18(2): 90.
[2] Tan M, et al. Identification of 67 histone marks and histone lysine crotonylation as a new type of histone modification[J]. Cell, 2011, 146(6): 1016-1028.
[3] Piazza I, et al. A map of protein-metabolite interactions reveals principles of chemical communication[J]. Cell, 2018.
[4] Park J, et al. SIRT5-mediated lysine desuccinylation impacts diverse metabolic pathways[J]. Molecular cell, 2013, 50(6): 919-930.
[5] Huang J, et al. 2-Hydroxyisobutyrylation on histone H4K8 is regulated by glucose homeostasis in Saccharomyces cerevisiae[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017: 201700796.
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