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编者按
活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）是细胞代谢不可避免的产物，细胞内高水平的ROS直接或间接的参与细胞信号传导，诱导细胞凋亡，是肿瘤及许多其他疾病的共同发病机制。线粒体是能量生成的重要细胞器，也是广受关注的细胞调节氧化应激的中枢，是ROS作用的重要靶部位。近年来的研究表明，ROS通过影响内环境氧化压力水平，从而影响蛋白质半胱氨酸氧化还原修饰水平，但ROS具体的作用方式和靶点依然未完全清楚。
半胱氨酸具有活跃的侧链巯基，在生物体内往往会发生多种类型的可逆氧化还原修饰，如：亚硝基化/谷胱甘肽化/次磺酸化等。2017年，武汉大学宋保亮教授与中科院生化细胞所李伯良研究员合作 在Nature Cell Biology上发表研究结果，揭示可逆氧化还原修饰：半胱氨酸泛素化在脂质分子产生的氧胁迫中的关键作用（详情请戳：蛋白质可逆氧化还原修饰：半胱氨酸泛素化），也说明半胱氨酸氧化还原修饰在氧化损伤中的重要生物学意义。
近日，欧洲的研究者运用蛋白质组学技术分析酵母细胞中蛋白质半胱氨酸氧化还原修饰水平，揭示出不同氧化压力状态下，线粒体ROS对蛋白质翻译与合成的全局性调控机制，相关工作发表在著名学术期刊Nature Communications上。
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研究路线
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研究速读
1. 野生型酵母蛋白质半胱氨酸氧化还原修饰状态分析
研究者选择酵母为研究对象，应用蛋白质组学ICAT标记方法进行分步还原标记，实现位点特异性标记半胱氨酸氧化修饰状态。应用定量蛋白质组学技术，一共鉴定到野生型酵母中2733个蛋白上4457个半胱氨酸修饰位点。
对鉴定到的蛋白位点氧化还原丰度进行进一步分析，发现野生型酵母中大部分蛋白半胱氨酸位点氧化修饰丰度处于0-15%阶段(4172)。对不同氧化状态的蛋白进行GO功能富集分析发现，氧化水平处于15-30%的蛋白功能富集于金属离子结合，RNA翻译等过程，而氧化水平处于60-100%的蛋白功能富集于超氧化物歧化酶活性等过程，进一步说明氧化修饰状态影响到不同的生物学过程。
图1 野生型酵母蛋白质半胱氨酸氧化还原修饰状态分析
2. 氧化条件处理下野生型酵母蛋白氧化修饰水平分析
为了进一步研究氧化水平变化对蛋白氧化修饰的影响，研究者对酵母采用双氧水处理，并采用蛋白质组学分析氧化水平变化，其中有47个蛋白上67个半胱氨酸位点（54条特异性多肽）氧化水平具有显著提升，其中包括多个核糖体蛋白质以及其他与RNA翻译相关的蛋白。说明氧化压力提升影响到蛋白质的合成过程。
图2 氧化条件处理下野生型酵母蛋白氧化修饰水平分析
3. 内源性ROS水平变化对蛋白氧化修饰的影响
双氧水处理为酵母提供了外源性超氧离子，那么内源性ROS形成如何影响蛋白氧化修饰状态的呢？研究者构建了一个呼吸链参与基因MIA40突变体，MIA40是一种线粒体蛋白，研究表明MIA40对于呼吸链复合体蛋白的合成相关，其缺失会造成线粒体功能紊乱并提升细胞中ROS水平。研究者应用mia40突变体，进行蛋白质组学分析比较mia40突变体与双氧水处理野生型细胞蛋白氧化修饰水平，鉴定到更多的核糖体蛋白以及其他影响蛋白质翻译的蛋白氧化水平提升，说明了内源性ROS水平可能通过调控蛋白氧化修饰水平影响蛋白质合成。
图3 内源性ROS水平变化对蛋白氧化修饰的影响
4. 内源性ROS增加造成细胞蛋白合成效率降低的验证
最后，研究者通过同位素标记方法检测酵母在不同状态下蛋白合成翻译效率，证明了氧化压力增加的情况下（外源性双氧水处理，或内源性mia40突变），蛋白合成翻译效率降低，证明了组学数据的正确性，并且证明了在哺乳动物细胞系HEK293中同样存在氧化压力增加会降低蛋白合成效率。
图4 内源性ROS增加造成细胞蛋白合成效率降低的验证
4小结
半胱氨酸因其具有活跃的侧链巯基而在生物体内往往会发生多种类型的如：亚硝基化/谷胱甘肽化/次磺酸化等可逆氧化还原修饰。对生物体内活性氧ROS的研究表明ROS参与到诸如细胞增殖分化/细胞凋亡/转录激活等多种途径。该研究从整体上阐明了内源性ROS对蛋白功能的影响可能是通过影响蛋白合成翻译效率产生，提供了半胱氨酸氧化还原修饰研究的新思路。
参考文献：
Topf, Ulrike, et al. (2018) Quantitative proteomics identifies redox switches for global translation modulation by mitochondrially produced reactive oxygen species. Nature Communications .
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