基于活性的蛋白质组分析

doi:10.6023/A15040223

摘要/Abstract

众多物种基因组解码工作的完成极大地丰富了我们对这些生命体系组成复杂度的认知, 然而下一个更为严峻的挑战是如何快速准确地解析这些基因编码蛋白的分子功能, 这也是当前蛋白质组学领域亟待解决的一个重要科学问题. 基于活性的蛋白质组分析是近些年来一项新兴的技术平台, 它致力于在复杂的生命体系中系统地鉴定某类具有特定功能的蛋白质分子. 在本篇短综述中, 我们将对该化学生物学技术的发展做一个简要的回顾, 重点介绍该技术在未知蛋白的功能解析、小分子抑制剂的筛选以及活性小分子靶标蛋白的鉴定等方面的工作, 最后将对该技术未来发展的走向及其拓展应用做前瞻性的讨论.

关键词: 活性分子探针, 化学蛋白质组学, 蛋白功能解析, 抑制剂研发, 靶点鉴定

Genome sequencing projects have revolutionized our view of the complexity of prokaryotic and eukaryotic proteomes, however, we are also left with a daunting challenge of functionally annotating these large number of predicted proteins. Activity-based protein profiling (ABPP) has been developed as a powerful chemoproteomic tool aiming at systematically discovering and assigning functions of uncharacterized enzymes directly from native proteomes. Here, we reviewed the development and application of this emerging technique, mainly focusing on how it was applied for functional annotation of unknown enzymes, screening and optimization of small-molecule inhibitors, and target identification of bio-active small molecules.

Key words: activity-based probe, chemical proteomics, protein functional annotation, inhibitor development, target identification

引用此文

王初, 陈南. 基于活性的蛋白质组分析[J]. 化学学报, 2015, 73(7): 657-668.

Wang Chu, Chen Nan. Activity-based Protein Profiling[J]. Acta Chim. Sinica, 2015, 73(7): 657-668.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

[1] Choudhary, C.; Mann, M. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2010, 11, 427.
[2] Aebersold, R.; Mann, M. Nature 2003, 422, 198.
[3] Walther, T. C.; Mann, M. J. Cell Biol. 2010, 190, 491.
[4] Kitchen, R. R.; Rozowsky, J. S.; Gerstein, M. B.; Nairn, A. C. Nat. Neurosci. 2014, 17, 1491.
[5] Otto, A.; Becher, D.; Schmidt, F. Proteomics 2014, 14, 547.
[6] Zhao, H. H.; Wang, W. Acta Chim. Sinica 2009, 67, 167. (赵慧辉, 王伟, 化学学报, 2009, 67, 167.)
[7] Zheng, J. F.; Sun, C. Y.; Sun, L. C.; Yang, X. M.; Wang, X. Z.; Huang, Y.; Li, Y.; He, J. Q. Acta Chim. Sinica 2010, 68, 996. (郑君芳, 孙超渊, 孙丽翠, 杨晓梅, 王小柱, 黄艳, 李洋, 贺俊琦, 化学学报, 2010, 68, 996.)
[8] Ye, H.; Liu, W.; Yu, C. H.; Li, Y. M.; Jiang, Y. Prog. Biochem. Biophys. 2011, 38, 487. (叶桦, 刘伟, 虞超辉, 厉有名, 姜颖, 生物化学与生物物理进展, 2011, 38, 487.)
[9] Ito, T.; Ota, K.; Kubota, H.; Yamaguchi, Y.; Chiba, T.; Sakuraba, K.; Yoshida, M. Mol. Cell. Proteomics 2002, 1, 561.
[10] Yang, Q. H.; Li, L. Prog. Biochem. Biophys. 1999, 31, 221. (杨齐衡, 李林, 生物化学与生物物理进展, 1999, 31, 221.)
[11] Patton, W. F. Electrophoresis 2000, 21, 1123.
[12] Min, L. F.; He, S. Y.; Chen, Q.; Xie, M. X.; Peng, H. B.; Cao, L. Y.; Wang, H. S.; Zhu, X. Y. Acta Chim. Sinica 2011, 69, 2609. (闵凌峰, 何淑雅, 陈琼, 谢明萱, 彭红兵, 曹兰玉, 王怀石, 朱小燕, 化学学报, 2011, 69, 2609.)
[13] Gygi, S. P.; Rist, B.; Gerber, S. A.; Turecek, F.; Gelb, M. H.; Aebersold, R. Nat. Biotechnol. 1999, 17, 994.
[14] Washburn, M. P.; Wolters, D.; Yates, J. R., 3rd. Nat. Biotechnol. 2001, 19, 242.
[15] Speers, A. E.; Cravatt, B. F. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10018.
[16] Hu, Z. Y.; Sun, Z.; Zhang, Y.; Wu, R. A.; Zou, H. F. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 2059. (胡争艳, 孙珍, 张轶, 吴仁安, 邹汉法, 化学学报, 2012, 70, 2059.)
[17] Wang, J. L.; Wan, J. H.; Luo, L.; Xiong, S. X.; Wang, G. H.; He, F. C.; Qian, X. H. Acta Biochim. Biophys. Sin. 2000, 4, 373. (王京兰, 万晶宏, 罗凌, 熊少祥, 王光辉, 贺福初, 钱小红, 生物化学与生物物理学报, 2000, 4, 373.)
[18] Yin, X. F.; Liu, X. H.; Shen, H. L.; Jin, H.; Yang, P. Y. Acta Chim. Sinica 2015, 73, 337. (殷薛飞, 刘晓慧, 申华莉, 金红, 杨芃原, 化学学报, 2015, 73, 337.)
[19] Thomas, G. M.; Huganir, R. L. Nat. Rev. Neurosci. 2004, 5, 173.
[20] Vucic, D.; Dixit, V. M.; Wertz, I. E. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2011, 12, 439.
[21] Tessarz, P.; Kouzarides, T. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2014, 15, 703.
[22] Khan, A. R.; James, M. N. Protein Sci. 1998, 7, 815.
[23] Riedl, S. J.; Shi, Y. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2004, 5, 897.
[24] Liu, Y.; Patricelli, M. P.; Cravatt, B. F. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1999, 96, 14694.
[25] Jessani, N.; Niessen, S.; Wei, B. Q.; Nicolau, M.; Humphrey, M.; Ji, Y.; Han, W.; Noh, D. Y.; Yates, J. R., 3rd; Jeffrey, S. S.; Cravatt, B. F. Nat. Methods 2005, 2, 691.
[26] Prescher, J. A.; Bertozzi, C. R. Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 13.
[27] Hein, J. E.; Fokin, V. V. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 1302.
[28] McKay, C. S.; Finn, M. G. Chem. Biol. 2014, 21, 1075.
[29] Kolb, H. C.; Finn, M. G.; Sharpless, K. B. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2001, 40, 2004.
[30] Rostovtsev, V. V.; Green, J. G.; Fokin, V. V.; Sharpless, K. B. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2002, 41, 2596.
[31] Speers, A. E.; Adam, G. C.; Cravatt, B. F. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 4686.
[32] Speers, A. E.; Cravatt, B. F. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10018.
[33] Grammel, M.; Zhang, M. M.; Hang, H. C. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2010, 49, 5970.
[34] Nessen, M. A.; Kramer, G.; Back, J.; Baskin, J. M.; Smeenk, L. E.; de Koning, L. J.; van Maarseveen, J. H.; de Jong, L.; Bertozzi, C. R.; Hiemstra, H.; de Koster, C. G. J. Proteome Res. 2009, 8, 3702.
[35] Szychowski, J.; Mahdavi, A.; Hodas, J. J.; Bagert, J. D.; Ngo, J. T.; Landgraf, P.; Dieterich, D. C.; Schuman, E. M.; Tirrell, D. A. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 18351.
[36] Kim, H. Y.; Tallman, K. A.; Liebler, D. C.; Porter, N. A. Mol. Cell. Proteomics 2009, 8, 2080.
[37] Weerapana, E.; Speers, A. E.; Cravatt, B. F. Nat. Protoc. 2007, 2, 1414.
[38] Long, J. Z.; Cravatt, B. F. Chem. Rev. 2011, 111, 6022.
[39] Kraut, J. Annu. Rev. Biochem. 1977, 46, 331.
[40] Chapman, H. A.; Riese, R. J.; Shi, G. P. Annu. Rev. Physiol. 1997, 59, 63.
[41] Kato, D.; Boatright, K. M.; Berger, A. B.; Nazif, T.; Blum, G.; Ryan, C.; Chehade, K. A.; Salvesen, G. S.; Bogyo, M. Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 33.
[42] Manning, G.; Whyte, D. B.; Martinez, R.; Hunter, T.; Sudarsanam, S. Science 2002, 298, 1912.
[43] Hanks, S. K.; Hunter, T. FASEB J. 1995, 9, 576.
[44] Patricelli, M. P.; Szardenings, A. K.; Liyanage, M.; Nomanbhoy, T. K.; Wu, M.; Weissig, H.; Aban, A.; Chun, D.; Tanner, S.; Kozarich, J. W. Biochemistry 2007, 46, 350.
[45] Patricelli, M. P.; Nomanbhoy, T. K.; Wu, J.; Brown, H.; Zhou, D.; Zhang, J.; Jagannathan, S.; Aban, A.; Okerberg, E.; Herring, C.; Nordin, B.; Weissig, H.; Yang, Q.; Lee, J. D.; Gray, N. S.; Kozarich, J. W. Chem. Biol. 2011, 18, 699.
[46] Ranjitkar, P.; Perera, B. G.; Swaney, D. L.; Hari, S. B.; Larson, E. T.; Krishnamurty, R.; Merritt, E. A.; Villen, J.; Maly, D. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19017.
[47] Hooper, N. M. FEBS Lett. 1994, 354, 1.
[48] Saghatelian, A.; Jessani, N.; Joseph, A.; Humphrey, M.; Cravatt, B. F. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2004, 101, 10000.
[49] Sieber, S. A.; Niessen, S.; Hoover, H. S.; Cravatt, B. F. Nat. Chem. Biol. 2006, 2, 274.
[50] Salisbury, C. M.; Cravatt, B. F. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2007, 104, 1171.
[51] Salisbury, C. M.; Cravatt, B. F. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2184.
[52] Williams, S. J.; Hekmat, O.; Withers, S. G. ChemBioChem 2006, 7, 116.
[53] Witte, M. D.; Walvoort, M. T.; Li, K. Y.; Kallemeijn, W. W.; Donker-Koopman, W. E.; Boot, R. G.; Aerts, J. M.; Codee, J. D.; van der Marel, G. A.; Overkleeft, H. S. ChemBioChem 2011, 12, 1263.
[54] Chauvigne-Hines, L. M.; Anderson, L. N.; Weaver, H. M.; Brown, J. N.; Koech, P. K.; Nicora, C. D.; Hofstad, B. A.; Smith, R. D.; Wilkins, M. J.; Callister, S. J.; Wright, A. T. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20521.
[55] Willems, L. I.; Jiang, J.; Li, K. Y.; Witte, M. D.; Kallemeijn, W. W.; Beenakker, T. J.; Schroder, S. P.; Aerts, J. M.; van der Marel, G. A.; Codee, J. D.; Overkleeft, H. S. Chemistry 2014, 20, 10864.
[56] Wright, A. T.; Song, J. D.; Cravatt, B. F. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 10692.
[57] Ismail, H. M.; O'Neill, P. M.; Hong, D. W.; Finn, R. D.; Henderson, C. J.; Wright, A. T.; Cravatt, B. F.; Hemingway, J.; Paine, M. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 19766.
[58] Kumar, S.; Zhou, B.; Liang, F.; Wang, W. Q.; Huang, Z.; Zhang, Z. Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2004, 101, 7943.
[59] Walls, C.; Zhou, B.; Zhang, Z. Y. Methods Mol. Biol. 2009, 519, 417.
[60] Li, G.; Liang, Q.; Gong, P.; Tencer, A. H.; Zhuang, Z. Chem. Commun. (Camb.) 2014, 50, 216.
[61] Chang, J. W.; Cognetta, A. B., 3rd; Niphakis, M. J.; Cravatt, B. F. ACS Chem. Biol. 2013, 8, 1590.
[62] Weerapana, E.; Simon, G. M.; Cravatt, B. F. Nat. Chem. Biol. 2008, 4, 405.
[63] Shannon, D. A.; Banerjee, R.; Webster, E. R.; Bak, D. W.; Wang, C.; Weerapana, E. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3330.
[64] Jessani, N.; Liu, Y.; Humphrey, M.; Cravatt, B. F. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 10335.
[65] Jessani, N.; Humphrey, M.; McDonald, W. H.; Niessen, S.; Masuda, K.; Gangadharan, B.; Yates, J. R., 3rd; Mueller, B. M.; Cravatt, B. F. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2004, 101, 13756.
[66] Long, J. Z.; Li, W.; Booker, L.; Burston, J. J.; Kinsey, S. G.; Schlosburg, J. E.; Pavon, F. J.; Serrano, A. M.; Selley, D. E.; Parsons, L. H.; Lichtman, A. H.; Cravatt, B. F. Nat. Chem. Biol. 2009, 5, 37.
[67] Greenbaum, D. C.; Baruch, A.; Grainger, M.; Bozdech, Z.; Medzihradszky, K. F.; Engel, J.; DeRisi, J.; Holder, A. A.; Bogyo, M. Science 2002, 298, 2002.
[68] Bachovchin, D. A.; Brown, S. J.; Rosen, H.; Cravatt, B. F. Nat. Biotechnol. 2009, 27, 387.
[69] Thornberry, N. A.; Bull, H. G.; Calaycay, J. R.; Chapman, K. T.; Howard, A. D.; Kostura, M. J.; Miller, D. K.; Molineaux, S. M.; Weidner, J. R.; Aunins, J.; Elliston, K. O.; Ayala, J. M.; Casano, F. J.; Chin, J.; Ding, G. J.-F.; Egger, L. A.; Gaffney, E. P.; Limjuco, G.; Palyha, O. C.; Raju, S.M.; Rolando, A. M.; Salley, J. P.; Yamin, T. T.; Lee, T. D.; John, E. S.; MacCross, M.; Mumford, R. A.; Schmidt, J. A.; Tocci, M. J. Nature 1992, 356, 768.
[70] Holmgren, A. J. Biol. Chem. 1989, 264, 13963.
[71] Ono, Y.; Fujii, T.; Igarashi, K.; Kuno, T.; Tanaka, C.; Kikkawa, U.; Nishizuka, Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1989, 86, 4868.
[72] Jaffrey, S. R.; Erdjument-Bromage, H.; Ferris, C. D.; Tempst, P.; Snyder, S. H. Nat. Cell Biol. 2001, 3, 193.
[73] Paulsen, C. E.; Truong, T. H.; Garcia, F. J.; Homann, A.; Gupta, V.; Leonard, S. E.; Carroll, K. S. Nat. Chem. Biol. 2012, 8, 57.
[74] Martin, B. R.; Wang, C.; Adibekian, A.; Tully, S. E.; Cravatt, B. F. Nat. Methods 2012, 9, 84.
[75] Barrett, W. C.; DeGnore, J. P.; König, S.; Fales, H. M.; Keng, Y. F.; Zhang, Z. Y.; Yim, M. B.; Chock, P. B. Biochemistry 1999, 38, 6699.
[76] Mustafa, A. K.; Gadalla, M. M.; Sen, N.; Kim, S.; Mu, W.; Gazi, S. K.; Barrow, R. K.; Yang, G.; Wang, R.; Snyder, S. H. Science Signaling 2009, 2, ra72.
[77] Zhang, L.; Ding, X.; Cui, J.; Xu, H.; Chen, J.; Gong, Y.-N.; Hu, L.; Zhou, Y.; Ge, J.; Lu, Q. Nature 2012, 481, 204.
[78] Weerapana, E.; Wang, C.; Simon, G. M.; Richter, F.; Khare, S.; Dillon, M. B.; Bachovchin, D. A.; Mowen, K.; Baker, D.; Cravatt, B. F. Nature 2010, 468, 790.
[79] Knight, Z. A.; Shokat, K. M. Cell 2007, 128, 425.
[80] Spring, D. R. Chem. Soc. Rev. 2005, 34, 472.
[81] Terstappen, G. C.; Schlupen, C.; Raggiaschi, R.; Gaviraghi, G. Nat. Rev. Drug Discov. 2007, 6, 891.
[82] Liebler, D. C. Chem. Res. Toxicol. 2008, 21, 117.
[83] Ong, S. E.; Blagoev, B.; Kratchmarova, I.; Kristensen, D. B.; Steen, H.; Pandey, A.; Mann, M. Mol. Cell. Proteomics 2002, 1, 376.
[84] Lanning, B. R.; Whitby, L. R.; Dix, M. M.; Douhan, J.; Gilbert, A. M.; Hett, E. C.; Johnson, T. O.; Joslyn, C.; Kath, J. C.; Niessen, S.; Roberts, L. R.; Schnute, M. E.; Wang, C.; Hulce, J. J.; Wei, B.; Whiteley, L. O.; Hayward, M. M.; Cravatt, B. F. Nat. Chem. Biol. 2014, 10, 760.
[85] Berger, A. B.; Witte, M. D.; Denault, J. B.; Sadaghiani, A. M.; Sexton, K. M.; Salvesen, G. S.; Bogyo, M. Mol. Cell 2006, 23, 509.
[86] Wang, J.; Zhang, C. J.; Zhang, J.; He, Y.; Lee, Y. M.; Chen, S.; Lim, T. K.; Ng, S.; Shen, H. M.; Lin, Q. Sci. Rep. 2015, 5, 7896.
[87] Sun, L.; Wang, H.; Wang, Z.; He, S.; Chen, S.; Liao, D.; Wang, L.; Yan, J.; Liu, W.; Lei, X.; Wang, X. Cell 2012, 148, 213.
[88] Wang, C.; Weerapana, E.; Blewett, M. M.; Cravatt, B. F. Nat. Methods 2014, 11, 79.
[89] Gubbens, J.; Ruijter, E.; de Fays, L. E.; Damen, J. M.; de Kruijff, B.; Slijper, M.; Rijkers, D. T.; Liskamp, R. M.; de Kroon, A. I. Chem. Biol. 2009, 16, 3.
[90] Hulce, J. J.; Cognetta, A. B.; Niphakis, M. J.; Tully, S. E.; Cravatt, B. F. Nat. Methods 2013, 10, 259.
[91] Rajagopalan, S.; Wang, C.; Yu, K.; Kuzin, A. P.; Richter, F.; Lew, S.; Miklos, A. E.; Matthews, M. L.; Seetharaman, J.; Su, M.; Hunt, J. F.; Cravatt, B. F.; Baker, D. Nat. Chem. Biol. 2014, 10, 386.