分享一篇发表在Nature Chemistry上的文章，文章题目为“Global profiling of functional histidines in live cells using small-molecule photosensitizer and chemical probe relay labelling”，本文通讯作者为深圳湾实验室系统与物理生物学研究所的李刚研究员，他们课题组的主要研究方向为开发新型化学探针和平台来研究生物活性化合物的靶标以及用高通量筛选的方法发现酶抑制剂，用于糖尿病或癌症的治疗。
化学蛋白质组学，特别是基于活性的蛋白质谱分析，是注释未表征蛋白质功能和扩大可药物靶标库的强大工具。传统的基于活性的探针大多靶向亲核性残基，比如半胱氨酸。在被探究的较少的氨基酸中，组氨酸是一个有吸引力的候选残基，在金属结合位点、酶活性中心、蛋白-蛋白相互作用界面上经常发现组氨酸的存在。目前针对组氨酸已经开发了三种方法来选择性地标记。第一种策略利用了咪唑环上N-3的亲核性，与一些活性探针偶联；第二种是通过自由基介导的C-2的烷基化在可见光下对组氨酸进行标记；最后一种是极性反转策略，使用催化剂产生单线态氧，氧化咪唑环，使其可以与亲核性的探针发生反应。但是目前没有较为理想的生物兼容、选择性标记组氨酸的方法。李刚课题组先前开发出了一种用光敏剂蛋白miniSOG产生单线态氧实现邻近标记的策略，发现该方法对组氨酸具有一定的选择性，于是受此启发，作者设想用小分子光敏剂代替miniSOG可以提高单线态氧的产量，从而提高组氨酸的覆盖率，而且小分子光敏剂可用于细胞或组织，无需基因操作。于是，作者首先通过荧光胶和质谱实验筛选小分子光敏剂以及化学探针。荧光胶实验表明在所有筛选的小分子中，3-乙炔基苯胺（3-EA）的标记效果是最好的；而在筛选的17种光敏剂中，除了核黄素（RF）在短期光照下会有一定细胞毒性，其他的光敏剂均未表现出明显的细胞毒性。在质谱实验中，作者用3-EA作为化学探针，评估了17种光敏剂的表现，平均每种光敏剂可以打到4400张谱，产生的修饰主要在组氨酸上。使用close search发现这17种光敏剂可以标记到2424个蛋白上的7160个组氨酸位点，如果是两到四种光敏剂联合使用，则可以覆盖大部分的组氨酸位点。作者还对反应机理进行了研究。之后，作者尝试用该方法发现新的金属结合位点，他们假设组氨酸与金属的结合会减低咪唑环上的电子密度，从而影响其与单线态氧的反应性，导致化学探针标记信号改变。用模型蛋白验证他们假设之后，作者用EDTA处理SALIC蛋白质组，EDTA处理前后的组氨酸ratio变化，来反映组氨酸与金属的结合能力，共鉴定到了44个含有EDTA敏感组氨酸的蛋白，进一步的生物学验证表明，鉴定到的IDH1中H309在其酶活中起着关键作用，CRIP1的H73是一个先前未被发现的锌离子结合位点。作者还尝试用该方法表征特定细胞过程中组氨酸可及性的变化。模型蛋白上的实验表明，蛋白-蛋白相互作用前后，组氨酸的标记信号会发生变化。于是作者研究了线粒体自噬过程中，组氨酸的标记信号的变化，发现PARK7蛋白中H318在线粒体自噬过程中标记信号显著减少，进一步的生物学研究发现LUC7L3会在线粒体自噬过程中与PARK7发生互作，而PARK7的H138突变后，会增加其线粒体定位。综上所述，本文开发了一种全局性选择性标记组氨酸的方法，使用该方法结合定量蛋白质组学技术可以探究新的金属结合位点和蛋白-蛋白相互作用过程中组氨酸的变化。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01545-6文章引用：https://doi.org/10.1038/s41557-024-01545-6
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