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半胱氨酸殘基（Cys）的氧化還原作為重要的翻譯后修飾機制，能夠可逆地調節蛋白質功能、互作與定位，進而實現對諸多生物學進程與氧化信號（如過氧化氫H2O2）轉導的精準調控【1】。半胱氨酸的氧化還原修飾廣泛存在于各種真核生物中。線蟲作為常用的模式生物，可用于從網絡水平上研究半胱氨酸介導氧化還原信號的傳導機制。
近日，國家蛋白質科學中心（鳳凰中心，北京）楊靖團隊與哈佛大學醫學院T. Keith Blackwell團隊合作在Nature Communications雜志上發表了題為
Global profiling of distinct cysteine redox forms reveals wide-ranging redox regulation in
C. elegans
的研究論文，該工作首次全景式分析了秀麗隱桿線蟲中半胱氨酸幾種主要的氧化還原形式，揭示半胱氨酸氧化還原修飾可調節線蟲體內多種生物過程和途徑，發現p38 MAPK通路上下游蛋白質均可介導Cys依賴的抗氧化響應和天然免疫調節。
首先，作者利用蛋白質巰基反應性定量技術【2】，分析了線蟲中5258個半胱氨酸位點的反應性，極大擴展了秀麗隱桿線蟲半胱氨酸蛋白質組的覆蓋范圍。結果發現僅有24.4%的半胱氨酸具有高反應性，其中包括許多已知的具有催化或調節功能的保守型位點，提示半胱氨酸的反應活性可以作為預測其功能的有效指標。
隨后，作者利用一系列基于“點擊化學”探針的氧化還原蛋白質組學方法（圖1）【3】，系統分析了線蟲蛋白質組上5454個還原型巰基位點（Cys-SH）、1521個次磺酸修飾位點（Cys-SOH）和82個亞磺酸修飾位點（Cys-SO2H）。該數據集不僅包括許多已知的氧化還原敏感的半胱氨酸，如GPD-1中的C158、40S核糖體蛋白rps -17中的C35和AGC家族激酶IRE-1中的C663，而且提供了大量前所未知的氧化還原敏感或修飾位點。定量分析結果表明，超過1500個蛋白質Cys位點在外源性低濃度H2O2刺激下發生了顯著變化。
生物信息學分析發現這些氧化敏感蛋白可參與許多基本生物學進程，如泛素蛋白酶體途徑、糖酵解、三羧酸循環循環和戊糖磷酸途徑等代謝過程、p38 MAPK通路、mTORC1通路、胰島素/IGF-1通路、mRNA剪接和轉錄等。接下來，作者對部分上述發現進行了一系列功能驗證。例如，作者還注意到p38 MAPK通路上下游均存在氧化敏感位點，包括IRE-1、NSY-1、SEK-1和PMK-1（圖2）。前期研究表明，進化保守的p38 MAPK通路可在各種環境因子包括病原體暴露和ROS信號刺激下被激活，并且IRE-1與NSY-1均參與其中【4】。本研究中作者重點研究了SEK-1和PMK-1是否在p38 MAPK介導的應激反應和病原體抗性中發揮氧化還原調節的作用。利用Cas9/CRISPR基因編輯技術，作者構建了點突變線蟲模型，結合生化分析，發現PMK-1 的C173和SEK-1 的C213均參與氧化應激介導的p38 MAPK通路激活，并且后者對線蟲抵御病原體也至關重要。
綜上，作者對秀麗隱桿線蟲的氧化還原蛋白質組進行了全局性表征，為氧化還原生物學領域提供了豐富且有價值的數據資源，為了解多細胞生物體內氧化還原信號轉導提供了分子基礎。
哈佛大學醫學院Jin Meng博士，國家蛋白質科學中心（北京）付玲博士為共同第一作者，楊靖研究員和T. Keith Blackwell教授為共同通訊作者。該研究得到美國斯克普斯研究所Kate Carroll教授以及北京生命科學研究所董夢秋研究員的幫助或指導。