Science：泛蛋白修饰组学技术，揭示新型蛋白质翻译后修饰

大量实验表明，天然蛋白质中广泛存在与基因编码不同的氨基酸，包括修饰、变异和氨基酸衍生物，统称为非编码氨基酸（noncoded Amino Acids，ncAAs）。但是由于蛋白质测定技术的限制，目前仍然无法大规模测定蛋白质组中的ncAAs。

2023年3月16日，郑州大学第一附属医院特聘教授杨静华与空军军医大学朱平教授、上海大学陈亮教授合作，在国际顶尖学术期刊 Science 期刊发表了题为：Cysteine carboxyethylation generates neoantigens to induce HLA-restricted autoimmunity 的研究长文。

自身免疫可由破坏免疫耐受的新抗原引起。该研究分析了自身免疫疾病强直性脊柱炎（AS）患者的蛋白质翻译后修饰，首次发现并鉴定了一种全新的蛋白质翻译后修饰——半胱氨酸羧基乙基化修饰。整合素αIIb的半胱氨酸残基在一个需要肠道微生物代谢物3-羟基丙酸（3-HPA）的过程中被羧乙基化修饰，并导致产生了致病性新抗原，引起HLA限制性自身免疫反应。这项研究破解了强直性脊柱炎（AS）发病的分子新机制。

杨静华团队经过多年努力，发展出一套泛蛋白修饰组学的搜索引擎，用于在超高分辨蛋白质谱和国家超算平台上，测定大队列人群蛋白质组中的非编码氨基酸（ncAAs）图谱。这个ncAA图谱包括已知和未知的蛋白修饰及结构改变，反映的是基因编码以外的蛋白质结构信息，也是人类疾病发生、发展及转归的分子基础。

该研究采用泛蛋白修饰组学搜索引擎，测定了强直性脊柱炎（AS）患者外周单核细胞的泛蛋白修饰图谱，发现了一系列与疾病相关的非编码氨基酸，如图1所示：

图1：强直性脊柱炎PBMC的泛蛋白翻译修饰图谱（Top 40）

其中，具有72.021 Da质量偏移的非编码氨基酸主要发生患者整合素蛋白的第96位半胱氨酸上（ITGA2B@96Cys+72.021）。与相同分子量的赖氨酸乳酸化修饰（Lys+72.021）不同, 通过质谱和修饰特异抗抗体的验证，Cys+72.021为半胱氨酸的羧乙基化修饰。

体内外实验表明，半胱氨酸羧乙基化修饰需要3-羟基丙酸（3-hydroxypropionate，3-HPA）作为反应底物，在胱硫醚β合成酶（cystathionine-β-synthase，CBS）催化下，通过与半胱氨酸羧侧链巯基的脱水反应生成羧乙基硫醚。其中，3-HPA是一种肠道微生物释放的代谢物。见图2所示：

图2：半胱氨酸羧基乙基化修饰需要3-HPA作为代谢底物

随后，该研究描述了如何验证ITGA2B@96Cys+72.021修饰作为强直脊柱炎相关的自身抗原，并研究半胱氨酸羧乙基化抗原诱导的MHCII依赖型CD4+ T细胞反应。

实验表明，半胱氨酸羧基乙基化修饰肽可作为新生抗原，并可以被MHC II复合物HLA-DRA*01/HLA-DRB1*04提呈至细胞膜表面。临床数据显示，HLA-DRB1*04基因型患者确实产生了羧基乙基化特异性自身抗体和T细胞应答。该反应与患者体内3-HPA水平存在相关性。动物实验表明，3-HPA给药联合羧基乙基化抗原肽免疫HLA-DR4转基因小鼠，可诱导小鼠出现肠炎及脊柱病变。如图3所示：

图3：半胱氨酸羧乙基化修饰产生新抗原诱导HLA限制性自身免疫

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg2482

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