Activity-based Protein Profiling

doi:10.6023/A15040223

Abstract

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

Cite this article

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

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[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.

基于活性的蛋白质组分析