清华新闻网3月4日电 泛素化修饰是调控真核细胞表观遗传状态的关键机制之一。核小体组蛋白上特定位点的单泛素化，如H2AK15、H2AK119、H2BK120，在DNA损伤修复、转录沉默及基因激活等核心生命过程中发挥着不可或缺的作用。去泛素化酶（DUBs）则负责精准地移除这些泛素标记，其活性在复杂的天然染色质环境中受到严格调控。

尽管传统的泛素活性探针已在去泛素化酶的全局性鉴定与催化机制解析中广泛应用，但它们面临一个关键局限：缺乏真实的底物环境。这些探针无法模拟蛋白质所处的天然核小体环境，也缺乏位点特异性信息，因而难以用于研究依赖染色质环境的核小体DUBs，限制了我们对表观遗传调控深层机制的探索。

近日，清华大学药学院秦为助理教授课题组、上海交通大学药学院艾华松副教授课题组与清华大学化学系刘磊教授课题组合作，创新性地开发了一种基于二硫键捕获机制的底物导向型核小体去泛素化酶活性探针。这一新型探针巧妙地解决了传统工具的不足，兼具抗水解稳定性与底物环境特异性，成功实现了在天然核小体环境下对位点特异性去泛素化酶的精准捕获与机制解析，为表观遗传学领域的研究提供了新型化学工具。

研究采用“底物模拟 + 二硫键捕获”的设计策略：在泛素化组蛋白的异肽键结构上引入2,2′-二硫代二吡啶活化的巯基乙基修饰，既模拟天然核小体底物的结构特征，又通过稳定的异肽键类似物抵抗DUB的水解。当DUB的催化半胱氨酸靠近探针时，发生特异性二硫键交换反应，形成共价复合物，实现靶向捕获。

SD-NucDUB-ABP捕获去泛素酶（DUBs）并应用于组学研究和XL-MS的示意图

这一探针平台具有良好的通用性与可拓展性。针对DNA损伤修复相关位点H2AK15Ub，研究团队合成了H2AK15UbAT核小体探针，在经X射线照射的HeLa细胞核裂解液中筛选并验证USP3为其天然去泛素化酶，并利用交联质谱（XL-MS）绘制了USP3与核小体、泛素之间的空间互作网络。该策略进一步拓展至转录沉默相关的H2AK119Ub与基因激活相关的H2BK120Ub位点，分别成功捕获USP16、Ubp10等特异性DUBs，并证明其适用于完整核小体及H2A-H2B二聚体等多种底物形态。

研究突破了传统泛素探针在染色质环境中的应用限制，实现了在核小体底物环境下对位点特异性去泛素化酶的蛋白质组学筛选与机制解析。该工具可广泛应用于鉴定不同泛素化位点的特异性DUBs，为阐明表观遗传调控的分子机制、挖掘疾病相关靶点提供支持，在肿瘤表观遗传、DNA损伤修复等领域具有重要应用前景。

研究成果以“通过二硫键捕获法开发底物导向的活性探针用于研究核小体位点特异性的去泛素化”（Development of Substrate-Directed Activity-Based Probes via Disulfide-Trapping for Site-Specific Interrogation of Nucleosomal Deubiquitination）为题，于2月7日发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。

上海交通大学药学院副教授艾华松、清华大学药学院助理教授秦为和清华大学化学系教授刘磊为论文共同通讯作者；清华大学生命学院2022级博士生何藻蓁，药学院2023级博士生霍苑桐和博士后张艳玲为论文第一作者。

艾华松课题组得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市药物靶标发现及递送前沿科学研究基地面上项目、上海交通大学“2030”C类项目等的支持。秦为课题组得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后面上项目、北京市自然科学基金、清华-北大生命科学联合中心、清华大学“笃实计划”、北京生物结构前沿研究中心、北京分子科学国家研究中心、深圳市医学研究基金等的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c20156?sessionid=

供稿：药学院

编辑：李华山

审核：郭玲