基于硒同位素印记的化学蛋白质组学

Selenium is one of the indispensable trace elements for human health and its dominant form in human body is selenocysteine, which serves as critical active-site residues in selenoproteins in regulating redox balance. Selenium excess and deficiency are both implicated with severe diseases. However, it remains challenging to profile selenoproteins by traditional shotgun proteomics tools due to its low abundance and versatile activity states. Here, we propose to develop a computational program to detect the characteristic isotope envelope of selenium-containing peptides from complex proteomic data and use these information to guide the proteomic analysis in a targeted mode. With a selenium-encoded enrichment tag, this method can be seamlessly combined with current chemical proteomic technologies using activity-based or metabolic analog probes and the targeted analysis will dramatically improve the sensitivity of detecting the sites of post-translational modification or probe adduction. The method can also be applied to improve identification of natural selenoproteins in cellular and tissue proteomes and compare their changes of abundance and activity in selenium-rich or deficient environments. We believe our proposed selenium-encoded chemical proteomic strategy will be a novel tool and great resource for in-depth functional studies of selenoproteins and their implications in human health.

硒是人体必需的微量元素之一，主要以硒代半胱氨酸的形式存在，在硒蛋白的活性中心发挥重要的氧化还原功能。硒的摄入过多与缺乏与各种疾病密切相关。硒蛋白的天然丰度低且活性多变，用传统的蛋白质组学方法难以分析和鉴定。在本项目中，申请人创新性提出利用硒元素特定的天然同位素分布特征，发展一种可以在复杂质谱谱图中精准识别硒同位素印记的算法，然后对提取的含硒特征谱峰进行靶向组学分析。该方法通过一个含硒的富集标签可以与基于分子活性探针或代谢探针的化学蛋白质组技术无缝对接，大大提高对分子探针标记位点鉴定的敏感度和置信度。同时，该方法还可以应用于全细胞蛋白组中天然硒蛋白的靶向组学分析，定量比较在贫硒和富硒条件下硒蛋白组的丰度和活性状态的改变。该化学生物学方法的建立和发展将为后续深入研究硒蛋白的生理功能与人类健康的密切关系提供重要的资源和线索。

硒是人体必需的微量元素之一，主要以硒代半胱氨酸的形式存在，在硒蛋白的活性中心发挥重要的氧化还原功能。硒的摄入过多与缺乏与各种疾病密切相关。硒蛋白的天然丰度低且活性多变，用传统的蛋白质组学方法难以分析和鉴定。在本项目中，我们利用硒元素特定的天然同位素分布特征，发展两代可以在复杂质谱谱图中精准识别硒同位素印记的算法SESTAR和SESTAR++，并指导质谱仪器进行靶向碎裂，大大提升了在全细胞蛋白质组中鉴定天然硒蛋白的灵敏度。在此基础上，我们利用74Se稳定同位素代谢标记，定量分析了富硒条件下细胞内多种硒蛋白的动态变化和半衰期。此外，我们结合还原二甲基化同位素标记和酸切生物素富集标签，成功地建立了三重定量化学蛋白质平台技术rdTOP-ABPP及发展了与之匹配的数据分析软件CIMAGE2.0，实现了内源代谢物和外源小分子靶标鉴定。我们在本项目中发展的化学和计算蛋白质组学方法为后续深入研究硒蛋白的生理功能与人类健康的密切关系提供重要的资源和线索。