鋅是人體內重要的微量元素之一，對生物體的正常生理功能至關重要，參與多種生物過程，包括酶的活性、DNA和RNA的合成、免疫系統(tǒng)的功能以及細胞信號傳導。鋅在細胞內主要以離子的形式存在，與多種蛋白質結合，影響其結構和功能。鋅結合蛋白質廣泛存在于各種生物體中，具有多重功能，包括催化化學反應、穩(wěn)定蛋白質結構、參與信號傳導，以及負責鋅離子的運輸和儲存。然而，科學家們對于鋅如何與蛋白質相互作用，以及這些相互作用在維持細胞功能和預防疾病中的作用了解甚少。

2024年12月26日美國丹娜法伯癌癥研究院在Cell雜志（IF：45.5）上發(fā)表了題為“The human zinc-binding cysteine proteome”的研究文章，本研究基于半胱氨酸定量蛋白組學，獲得了人類鋅結合半胱氨酸譜（ZnCPT），量化了人類蛋白質組中超過58,000個半胱氨酸位點與鋅的結合狀態(tài)，使得系統(tǒng)地發(fā)現(xiàn)鋅調節(jié)的結構、酶和別構功能域成為可能。還確定了52個受鋅結合的癌癥遺傳依賴性，并提名了對鋅誘導細胞毒性敏感的惡性腫瘤。并且發(fā)現(xiàn)了一種鋅調節(jié)谷胱甘肽還原酶（GSR）的機制，該機制驅動GSR依賴性肺癌細胞和體內腫瘤的細胞死亡?？偠灾?，ZnCPT是一個寶貴的資源，可以幫助我們深入了解鋅在細胞功能中的作用，并為開發(fā)新的癌癥治療方法提供了新的途徑。

模式圖

圖1 模式圖（圖源：Burger, et al., Cell, 2024）

開發(fā)定量分析鋅結合半胱氨酸的方法

為了深入理解鋅在蛋白質中的作用，研究人員開發(fā)了一種用于定量分析人類蛋白質組中與鋅結合的半胱氨酸的方法，結合了半胱氨酸活性磷酸鹽標簽（CPT）和串聯(lián)質譜標簽（TMT）的蛋白質組學技術，并在HCT116細胞、人肝細胞和人前列腺上皮細胞中進行了實驗。通過CPT標記和富集技術，研究者評估了半胱氨酸的可用性，并使用TPEN、EDTA和ZnCl2處理細胞裂解物，以確定構成型和誘導型鋅結合半胱氨酸，共分析了超過58,000個半胱氨酸位點，其中大多數(shù)位點之前未被實驗評估過，揭示了鋅結合蛋白質組具有多種特征，包括不同的亞細胞定位和蛋白質功能。這一方法顯著提高了半胱氨酸肽富集，使研究鋅結合蛋白成為可能。

圖2 ZnCPT數(shù)據(jù)集提供了鋅結合蛋白質組的定量圖（圖源：Burger, et al., Cell, 2024）

接下來，研究人員利用質譜技術定量分析了不同處理條件下半胱氨酸的標記水平，識別出4,830個構成型鋅結合半胱氨酸、6,419個構成型金屬結合半胱氨酸和1,742個誘導結合鋅的半胱氨酸。構成型鋅結合蛋白主要富集于核蛋白，而誘導型鋅結合蛋白則主要富集于囊泡蛋白、內體/溶酶體系統(tǒng)蛋白和內質網(wǎng)蛋白。

為了圖3 鋅和金屬結合半胱氨酸蛋白質組（HCT116裂解物）的表征

（圖源：Burger, et al., Cell, 2024）驗證ZnCPT方法在識別已知鋅結合蛋白方面的有效性，研究人員將ZnCPT數(shù)據(jù)與鋅結合蛋白數(shù)據(jù)庫（ZincBind）以及基于生物信息學和序列分析的預測數(shù)據(jù)集進行了比較。ZnCPT成功識別了850多個已知的鋅結合蛋白，包括構成型和誘導型鋅結合位點。與ZincBind數(shù)據(jù)庫相比，ZnCPT的覆蓋范圍更廣，并識別了更多的鋅結合位點。這一結果表明，ZnCPT方法能夠有效地識別和定量分析人類蛋白質組中的鋅結合位點，為鋅結合蛋白質組學的研究提供了有力工具。

圖4 ZnCPT準確地報告了鋅/金屬結合的實例（HCT116裂解物）

（圖源：Burger, et al., Cell, 2024）

分析鋅結合蛋白質組的特征

研究人員還探索了鋅結合位點在結構和序列上的特征，以深入了解鋅如何與蛋白質相互作用。他們采用了Pfam域注釋和序列分析來識別鋅結合位點的結構特征，并利用AlphaFold結構預測來分析鋅結合位點的三維結構，成功識別了不同的結構類別，包括構成型和誘導型鋅結合位點，以及與鋅結合相關的序列特征。構成型鋅結合位點通常富含半胱氨酸和組氨酸，而誘導型鋅結合位點則富含賴氨酸和酸性氨基酸。這些發(fā)現(xiàn)揭示了鋅結合位點具有獨特的結構和序列特征，這些特征可能有助于它們與鋅配位，從而在細胞功能中發(fā)揮關鍵作用。

發(fā)現(xiàn)新的鋅結合蛋白

為了擴展對鋅在細胞功能中作用的理解，研究人員還致力于識別ZnCPT方法中發(fā)現(xiàn)的新的鋅結合蛋白。他們利用AlphaFold結構預測來評估新發(fā)現(xiàn)的鋅結合位點與已知鋅結合蛋白的結構相似性。這些蛋白包括與已知鋅結合蛋白同源的蛋白質和未知的蛋白質。例如， PTPC1中的一個新的鋅結合位點，該位點與PTP1B中的鋅結合位點結構相似。

圖5 鋅結合的序列和結構特征提名了以前未描述的鋅結合蛋白

（圖源：Burger, et al., Cell, 2024）

比較鋅結合蛋白與氧化還原修飾蛋白

研究人員還比較了鋅結合和氧化還原調節(jié)的半胱氨酸蛋白質組之間的重疊程度，以揭示這兩種蛋白質修飾在細胞功能調控中的潛在差異。他們將ZnCPT數(shù)據(jù)與氧化還原調節(jié)的半胱氨酸數(shù)據(jù)集進行了比較，并評估了不同數(shù)據(jù)集中半胱氨酸的富集程度。結果顯示，鋅結合和氧化還原調節(jié)的半胱氨酸蛋白質組部分重疊，但兩者之間也存在差異。氧化還原調節(jié)的半胱氨酸通常富含精氨酸，而鋅結合位點則不含精氨酸。

比較鋅與鐵結合蛋白

此外，研究人員還探究了鋅如何調節(jié)鐵結合蛋白，以揭示鋅在鐵代謝和細胞內鐵平衡中的潛在作用。他們分析了ZnCPT數(shù)據(jù)中與鋅結合的鐵結合蛋白，并驗證了鋅對這些蛋白的影響。發(fā)現(xiàn)鋅可以調節(jié)鐵結合蛋白，例如EGLN1和ISCU，并影響其功能。也可以抑制EGLN1的脯氨酸羥化酶活性，進而影響HIF1α的降解。這一發(fā)現(xiàn)表明鋅在鐵硫蛋白的生物合成和功能中起著重要作用。

圖6 鋅調節(jié)多種功能性蛋白類別，包括鐵結合蛋白

（圖源：Burger, et al., Cell, 2024）

研究鋅對癌癥依賴蛋白的影響

為了揭示鋅在癌癥發(fā)生和發(fā)展中的潛在作用，研究人員還確定了鋅調節(jié)的癌癥依賴蛋白的功能類別。他們將ZnCPT數(shù)據(jù)與癌癥依賴性數(shù)據(jù)集（DepMap）進行了比較，并識別了鋅結合的癌癥依賴蛋白，評估了不同數(shù)據(jù)集中鋅結合蛋白的富集程度，共識別了52個鋅結合的癌癥依賴蛋白，其中許多與癌癥發(fā)生和發(fā)展相關。其中，GSR是一種參與維持細胞氧化還原平衡的酶，在肺癌細胞中高表達。這一發(fā)現(xiàn)表明鋅在癌癥發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用，并且可能作為癌癥治療的新靶點。鋅通過調節(jié)這些蛋白，可能影響癌癥細胞的生長、增殖、代謝和凋亡。此外，鋅對癌癥依賴蛋白的調節(jié)也可能影響癌癥細胞的免疫逃逸和化療耐藥性。

圖7 作為癌細胞遺傳依賴性的鋅結合蛋白的系統(tǒng)鑒定

（圖源：Burger, et al., Cell, 2024）

研究鋅對GSR的影響

最后，研究人員探究了鋅如何調節(jié)GSR并導致肺癌細胞死亡，以揭示鋅在肺癌治療中的潛在作用。他們驗證了鋅與GSR的結合，并使用酶活性測定技術和細胞毒性試驗評估了鋅對GSR依賴性肺癌細胞的影響。實驗結果顯示，鋅可以抑制GSR的活性，并通過耗盡GSH導致肺癌細胞死亡。這說明GSR是肺癌細胞的一個潛在的鋅調節(jié)靶點，鋅可以通過抑制GSR來治療肺癌，強調了鋅在肺癌治療中的潛在價值，并為開發(fā)新的肺癌治療方法提供了科學依據(jù)。

圖8 ZnCPT將GSR確定為可以受鋅調節(jié)的癌癥脆弱性

（圖源：Burger, et al., Cell, 2024）

小結

總的來說，鋅在蛋白質組中扮演著重要角色，特別是在調節(jié)細胞功能和疾病進程方面。通過開發(fā)和應用ZnCPT方法，研究人員能夠更深入地理解鋅與蛋白質的相互作用，為鋅在生物醫(yī)學領域的應用提供了新的視角和工具。

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參考文獻：

Burger N, Mittenbühler MJ, Xiao H, Shin S, Wei SM, Henze EK, Schindler S, Mehravar S, Wood DM, Petrocelli JJ, Sun Y, Sprenger HG, Latorre-Muro P, Smythers AL, Bozi LHM, Darabedian N, Zhu Y, Seo HS, Dhe-Paganon S, Che J, Chouchani ET. The human zinc-binding cysteine proteome. Cell. 2024 Dec 26:S0092-8674(24)01341-2. doi: 10.1016/j.cell.2024.11.025