近日，我所生物技术研究部生物分离分析新材料与新技术研究组（1809组）叶明亮研究员团队与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心程红研究员团队、中国科学院上海营养与健康研究所王泽峰研究员团队、李国辉研究员团队合作，开发了一种基于代谢标记的蛋白质甲基化分析新技术，实现了蛋白质甲基化组的全景式分析。该方法不需要预先设置甲基化修饰类型，因而可以对多种甲基化修饰进行同时鉴定分析，为深度解析蛋白质甲基化的调控功能提供了新工具。
蛋白质甲基化是一种常见的翻译后修饰，在很多关键生理过程中都发挥着重要的调控作用。在已知的甲基化修饰类型中，精氨酸甲基化和赖氨酸甲基化已经得到了广泛研究。甲基化修饰除了可以发生在精氨酸和赖氨酸上，还可以发生在其他氨基酸的侧链上。但由于分析方法上的欠缺，到目前为止，对这些甲基化修饰进行鉴定分析仍然十分困难。
本工作利用不同同位素组成的甲硫氨酸来标记蛋白上的甲基化位点，在经过酶解处理之后，同一甲基化肽段的轻标形式与重标形式在母离子层次上会存在特定的分子量差异，而这个分子量差异的大小是由肽段上甲基化修饰基团的数目决定的，因而可以通过这个分子量差异准确判断出肽段上带有的甲基化修饰的数目。合作团队基于甲基化修饰引入的这一分子量特征，发展了一种基于代谢标记的甲基化鉴定分析新技术，实现了8种氨基酸甲基化的同时鉴定分析，并鉴定到了C3H1锌指蛋白上的组氨酸甲基化。随后，团队确定了C3H1锌指蛋白上组氨酸甲基化的结构为Nπ类型，并确定CARNMT1为对应的甲基转移酶；进一步的研究发现U2AF1上的组氨酸甲基化修饰会显著影响pre-mRNA的可变剪接，并在in-vitro和in-vivo层次上证实，该修饰是通过改变U2AF1与RNA的结合能力来影响U2AF1的剪接功能；此外，利用分子模拟对该甲基化修饰进行分析，发现组氨酸甲基化修饰是调控锌指蛋白活性的一个通用机制。
叶明亮团队长期致力于蛋白质甲基化分析新技术新方法的研究，近期发展了基于光交联的甲基转移酶底物筛选新技术，克服了酶-底物相互作用力弱而导致的鉴定灵敏度低的问题，实现了PRMT1底物蛋白的广谱鉴定(Anal. Chem.，2023)；建立了精氨酸二甲基化肽段的化学富集方法，揭示了精氨酸二甲基化对蛋白质液—液相分离具有重要的调控作用（PNAS，2022）；发展了一种基于化学-酶法富集的精氨酸甲基化分离分析新策略，提升了精氨酸单甲基化的分析能力，并且提高了精氨酸甲基化的鉴定覆盖度（Anal. Chem.，2024）。
相关成果以“Metabolic labeling based methylome profiling enables functional dissection of histidine methylation in C3H1 zinc fingers”为题，于近日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、我所创新基金等项目的支持。（文/图 王科云）
