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蛋白質(zhì)精氨酸甲基化是一種調(diào)控蛋白質(zhì)功能的重要翻譯后修飾，其與眾多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。研究表明，精氨酸二甲基化會影響一些神經(jīng)退行性疾病相關(guān)蛋白的液-液相分離 (liquid-liquid phase separation, LLPS) ，以及相分離所驅(qū)動的無膜細(xì)胞器的產(chǎn)生。然而，受限于目前精氨酸二甲基化 (arginine demethylation, DMA) 蛋白質(zhì)組分析技術(shù)覆蓋率不足，這類研究只聚焦于少數(shù)幾個蛋白，尚未有在蛋白質(zhì)組學(xué)層面系統(tǒng)性研究過精氨酸甲基化對蛋白質(zhì)相分離的影響。

近日，上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰研究員團(tuán)隊與大連化學(xué)物理研究所葉明亮研究員團(tuán)隊合作在《美國科學(xué)院院報》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS) 上發(fā)表題為 “Global profiling of arginine dimethylation in regulating protein phase separation by a steric effect-based chemical-enrichment method” 的研究論文。研究者將硼酸化學(xué)引入到甲基化蛋白質(zhì)組分析方法中，并巧妙利用了精氨酸殘基上不同修飾基團(tuán)的位阻差異，開發(fā)了基于空間效應(yīng)的化學(xué)富集方法 (steric effect–based chemical-enrichment method, SECEM)，實(shí)現(xiàn)了高效的DMA肽段富集，顯著提高了蛋白質(zhì)甲基化的分析能力；并進(jìn)一步利用發(fā)展的新方法在蛋白質(zhì)組學(xué)層面系統(tǒng)研究分析了蛋白質(zhì)LLPS中DMA的變化，并通過體外蛋白甲基化實(shí)驗(yàn)和突變實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，闡釋了DMA修飾動態(tài)調(diào)控蛋白質(zhì)的LLPS的機(jī)制。

圖1. 左：SECEM的設(shè)計原理；右：精氨酸甲基化抑制G3BP1，F(xiàn)US，hnRNPA1和KHDRBS1的LLPS。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同甲基化修飾的精氨酸殘基在與鄰二酮類化合物反應(yīng)時，由于位阻不同，反應(yīng)活性差異巨大。合作團(tuán)隊據(jù)此設(shè)計了一種DMA肽段的富集方法：先利用環(huán)己二酮選擇性的封閉無修飾精氨酸殘基，隨后利用丙酮醛選擇性的在二甲基化精氨酸殘基上修飾順式鄰二羥基，從而使得硼酸材料可以選擇性的富集DMA肽段。相比傳統(tǒng)的免疫親和富集方法，該方法擁有較強(qiáng)的DMA肽段富集能力，特別是在鑒定RG/RGG序列上的DMA位點(diǎn)方面有更高的靈敏度。

合作團(tuán)隊將該方法應(yīng)用于分析蛋白質(zhì)LLPS過程中精氨酸甲基化的變化中。發(fā)現(xiàn)了一系列與無膜細(xì)胞器以及神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)蛋白質(zhì)，如：G3BP1，F(xiàn)US，hnRNPA1和KHDRBS1的DMA程度發(fā)生了顯著變化；經(jīng)體外甲基化實(shí)驗(yàn)和突變實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，精氨酸甲基化會顯著降低這些蛋白質(zhì)的相分離能力。結(jié)合蛋白質(zhì)組分析表明鑒定到存在顯著變化的甲基化位點(diǎn)是調(diào)控蛋白質(zhì)相分離的關(guān)鍵因素。總之，本研究開發(fā)了基于化學(xué)反應(yīng)的DMA蛋白質(zhì)組分析方法，并利用其揭示DMA對蛋白質(zhì)LLPS具有重要的調(diào)控作用。