Cell作者专访 | SiTomics技术解析蛋白质翻译后修饰机制与功能

蛋白质翻译后修饰（PTM, Post-translational modification）几乎影响正常细胞生物学和发病机制的所有方面。目前关于蛋白特定位点的翻译后修饰研究往往借助抗体的特异识别来原位研究蛋白质的翻译后修饰，但是对于不同位点的相同修饰，甚至同一位点上化学结构相近的不同修饰，经常很难加以区分，更无法在活细胞内进行特异、原位的研究。 2023年3月2日，北京大学、北大-清华生命科学联合中心陈鹏研究团队与季雄课题组在 Cell 发表了题为“Linking chromatin acylation mark-defined proteome and genome in living cells” 的研究论文[1]。该研究发展了在活细胞内“关联解析”蛋白质化学修饰机制与功能的“单位点-多组学”技术——SiTomics，揭示了受染色质酰化修饰介导的丰富的相互作用组学信息，建立了表观遗传调控的蛋白质组与基因组“信息关联”。 又是一年毕业季，在这收获的季节，我们采访了该文章的第一作者——原北大-清华生命科学联合中心毕业生秦芳菲博士，为我们分享文章的缘起及背后的点点滴滴和科研历程，以及该技术平台对于表观遗传研究、蛋白质干预和蛋白质组学验证等领域的重要应用前景。

缘起

首先恭喜你们团队实现了这么重磅级的技术突破。想请教你们是如何关注到蛋白质翻译后修饰这个领域，并想要通过化学的方法去原位研究蛋白质的翻译后修饰？ 我所在的陈鹏老师课题组长期致力于开发化学工具研究生物学问题，如：蛋白质-蛋白质相互作用，同时围绕大分子翻译后修饰进行相关研究，包括早期关于磷酸化、泛素化等的研究。另外，课题组也和芝加哥大学有很深的渊源。陈鹏老师在芝加哥大学博士毕业后，前往Scripps研究所Peter Schultz课题组进行博士后研究的时候，就开始利用非天然氨基酸技术研究组蛋白的翻译后修饰。另外，同在芝加哥大学的赵英明老师自2011年开始[2]，鉴定了一系列新型组蛋白翻译后修饰，尤其是2014年他们系统总结了组蛋白翻译后修饰的种类[3]，引起了人们极大的兴趣。一系列携带翻译后修饰的赖氨酸也相继以非天然氨基酸的形式被位点特异地引入组蛋白当中。2013年底，王初老师也从著名的化学蛋白质组学实验室（Ben Cravatt课题组）回到北大化学学院的化学生物学系，使得我们系在蛋白质组学方面的研究实力突飞猛进。2015年年底，香港大学李祥老师课题组在Nat. Chem. Biol. 杂志报道了可被代谢插入蛋白质组的光交联赖氨酸-photolysine，我们看到之后，认为这是个很好的契机，如果能位点特异性地将带有翻译后修饰的PTM-photolysine引入到组蛋白中，便可以位点特异性地研究组蛋白的writer/reader/eraser。我们便第一时间联系了李老师课题组展开合作。陈鹏老师的战略性眼光是课题取得成功的首要条件。

历程

这项研究的规模十分浩大，是整个团队齐心协力克服重重困难的结果。请分享一下这个课题的经历和故事。 这项研究持续了接近8年时间，可谓困难重重。第一步是探针合成，路线长、产率低、臭味大。整个研究团队，包括李祥老师课题组、施章杰老师、陈鹏老师课题组一整个小组的学生，包括当时已经毕业的杨熠博士，一起齐心协力解决合成问题。第二步是表达量低，这部分要多谢课题组另外一波同学在质粒优化上，如郑黄涛博士，都给出了很多帮助和建议，他们付出了很多的努力，各种各样的尝试，一步步解决问题。第三步是富集效率不高，陈鹏老师课题组的毕业生何丹博士、宋海平博士等，都给出了建议和指导。第四步是不知道该聚焦哪个具体的科学问题，当时找了很多合作者去讨论，请教了很多生物学家，染色体专家等等，但都没有找到很好的契合点。第五步也就是干湿实验的问题，当时我一直在思考做组蛋白不做基因组测序怎么行，但一直没想到合适的方案。看起来很简单的测序和计算，应该很容易搞定，但实施起来困难重重。直到我找到Kbhb似乎可以形成聚集体，当时Richard Young的相分离工作刚好出来，季雄老师正是Richard Young的博后，我们才以此为出发点，寻求与季雄老师的合作。季雄老师课题组王辉博士在实验操作上、李伯源博士在计算分析上给了我们很大的帮助，才使课题逐步进展。最后，尤其难能可贵的是，文章返修期间，正值北京的疫情高峰期，课题组多名同学放下手头的工作，一起克服困难，齐心协力，共同完成文章返修。 你们团队关注到了组蛋白巴豆酰化（Kcr）和β-羟基丁酰化（Kbhb）这两种修饰，想请教一下，为什么会关注这两种修饰，这两种修饰有什么特殊之处吸引了您？ 化学结构和生物学功能两者都有。化学家最敏感的就是化学结构。Kcr独特的C=C双键，且与C=O形成的共轭体系，让我们一看到就想研究它。而Kbhb独特的手性结构也让我们特别想知道这样的手性结构到底有何特异的生物学功能。另外，Kcr当时的几个相互作用蛋白都集中在白血病上，Kbhb可以抗抑郁，我们希望化学的研究也能帮助解决人类疾病。

展望

人们目前对新型酰化修饰的功能研究基础较为初步，很多功能尚未被发现和验证，这个领域未来也非常有潜力。作为SiTomics技术的开发者，你认为该技术在蛋白质翻译后修饰研究领域会有哪些应用场景？人体仅有两万多个基因，但人体中蛋白质却多达10万种以上，再加上不同的翻译后修饰对蛋白质结构和功能的影响，可以说还有非常广阔的未知空间。2003年启动的国际人类蛋白质组计划（HPP），和最近提出的人体蛋白质组导航计划（π-hub计划）等，再次彰显了蛋白质研究的无限前沿，也象征着对人体奥秘的无限探索。景杰生物开发的位点特异性抗体和泛修饰抗体，给这个领域带来了很大的帮助，我们看到很多全新的研究不断涌现，新的功能不断揭示。（Cell Res | 广州医科大学李斌团队2-羟基异丁酰化修饰研究揭示癌症转移全新机制，Nat Comm | 张锴/许丽艳团队首次报道原核生物中乳酸化修饰调控因子，Genome Biology重磅！乳酸化修饰组学揭示视网膜血管生成新机制） 简单对于这个工作来说，我们目前只是将这个平台展示在组蛋白上。还有很多其他的蛋白质，如转录因子、激酶等等，以及染色体相关蛋白，如季雄老师课题组专长的Pol II等，都可用该技术进行研究。此外，非组蛋白的研究也会有广泛的应用。在实际研究中，组蛋白长度小，细胞内丰度高，而其他蛋白可能本身分子量就比较大、细胞中表达量也有限。这些可能会产生一定的挑战，但相信都会有相应解决办法的。也相信，景杰公司基于其在翻译后修饰试剂产品和组学应用上的积累，会给我们带来更多全新的视角，和高效且有帮助的试剂。

感悟

非常感谢如此专业的答疑解惑，最后想请教一个问题，对于目前中国的年轻科研人员经常遇到的困难，比如科研创新周期长难度大，你有什么感悟或者建议？是很不容易的。首先，心态很重要，心态要稳，要坚信办法总比困难多，遇到困难多思考解决方案，要有一颗开放的心态，多和大家探讨，不一定谁的一句话可能就打开了思路。另外，不要怕找不到问题的答案，不要怕踽踽独行的时候，因为这个时候才是真正遇到问题，前人没遇到过的，走出来了你就创造了一条路。其次，做实验的同时，也要多留点时间给自己思考，在独处的过程中可能更容易静下心来，思维也就会更加有深度了。同时，还要注意多锻炼身体，做科研不仅需要脑力、还需要体力，如果没有一个好的身体，是做不好科研的。另外，与人为善，多交朋友。“勿以善小而不为，勿以恶小而为之”，给别人多一点包容，给世界多一点宽容，路会越走越宽广的。最后，课题组一定要团结合作才能共赢，一句古话说“吃亏是福”，要用一颗感恩的心去对待周围的每一个人。能一起用一种积极乐观奉献互助的精神去共同攻克一个科研难题，不仅会是一段难忘的经历，更多的是一种宝贵的人生财富。 同时，至此毕业季，我衷心祝愿每个毕业生满载收获，带着学校的祝福，迈着坚定的步伐，奔赴明天的新征程。 秦芳菲北京大学前沿交叉学科研究院、北大-清华生命科学联合中心2020级毕业生，现为MIT博士后。

编者按

编者按：谢谢秦芳菲博士的精彩分享，我们希望此次专访能给领域内的科研工作者带来诸多帮助与收获，也希望科研“追梦人”都能够梦想成真，得偿所愿。 参考文献1. Qin, Fangfei et al. 2023. Linking chromatin acylation mark-defined proteome and genome in living cells. Cell. 2. Tan, Minjia et al. 2011. Identification of 67 histone marks and histone lysine crotonylation as a new type of histone modification. Cell. 3. Huang, He et al. 2014. SnapShot: histone modifications. Cell.

景杰生物作为修饰组学领域的领跑者，拥有多种修饰抗体和修饰组学质谱检测服务。如果您想了解相关产品和服务的更多信息，请扫描下方二维码填写合作咨询表单、或咨询景杰生物销售工程师、或拨打科服热线400-100-1145。如有转载、投稿等其他合作需求，请在文章下方留言，或添加微信ptm-market咨询。