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蛋白質精氨酸甲基化是一種調控蛋白質功能的重要翻譯后修飾，其與眾多疾病的發生發展密切相關。研究表明，精氨酸二甲基化會影響一些神經退行性疾病相關蛋白的液-液相分離 (liquid-liquid phase separation, LLPS) ，以及相分離所驅動的無膜細胞器的產生。然而，受限于目前精氨酸二甲基化 (arginine demethylation, DMA) 蛋白質組分析技術覆蓋率不足，這類研究只聚焦于少數幾個蛋白，尚未有在蛋白質組學層面系統性研究過精氨酸甲基化對蛋白質相分離的影響。

近日，上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心劉聰研究員團隊與大連化學物理研究所葉明亮研究員團隊合作在《美國科學院院報》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS) 上發表題為 “Global profiling of arginine dimethylation in regulating protein phase separation by a steric effect-based chemical-enrichment method” 的研究論文。研究者將硼酸化學引入到甲基化蛋白質組分析方法中，并巧妙利用了精氨酸殘基上不同修飾基團的位阻差異，開發了基于空間效應的化學富集方法 (steric effect–based chemical-enrichment method, SECEM)，實現了高效的DMA肽段富集，顯著提高了蛋白質甲基化的分析能力；并進一步利用發展的新方法在蛋白質組學層面系統研究分析了蛋白質LLPS中DMA的變化，并通過體外蛋白甲基化實驗和突變實驗驗證，闡釋了DMA修飾動態調控蛋白質的LLPS的機制。

圖1. 左：SECEM的設計原理；右：精氨酸甲基化抑制G3BP1，FUS，hnRNPA1和KHDRBS1的LLPS。

本研究發現，不同甲基化修飾的精氨酸殘基在與鄰二酮類化合物反應時，由于位阻不同，反應活性差異巨大。合作團隊據此設計了一種DMA肽段的富集方法：先利用環己二酮選擇性的封閉無修飾精氨酸殘基，隨后利用丙酮醛選擇性的在二甲基化精氨酸殘基上修飾順式鄰二羥基，從而使得硼酸材料可以選擇性的富集DMA肽段。相比傳統的免疫親和富集方法，該方法擁有較強的DMA肽段富集能力，特別是在鑒定RG/RGG序列上的DMA位點方面有更高的靈敏度。

合作團隊將該方法應用于分析蛋白質LLPS過程中精氨酸甲基化的變化中。發現了一系列與無膜細胞器以及神經退行性疾病密切相關蛋白質，如：G3BP1，FUS，hnRNPA1和KHDRBS1的DMA程度發生了顯著變化；經體外甲基化實驗和突變實驗驗證發現，精氨酸甲基化會顯著降低這些蛋白質的相分離能力。結合蛋白質組分析表明鑒定到存在顯著變化的甲基化位點是調控蛋白質相分離的關鍵因素。總之，本研究開發了基于化學反應的DMA蛋白質組分析方法，并利用其揭示DMA對蛋白質LLPS具有重要的調控作用。