为大家分享一篇发表在Nature Chemical Biology上的文章，题目为"Chemoproteomic identification of CO2-dependent lysine carboxylation in proteins"。通讯作者是来自加拿大西蒙弗雷泽大学的David J. Vocadlo教授，他的主要研究方向是化学糖生物学和蛋白翻译后修饰。
CO2无处不在，不同的生物进化出了感知并适应CO2水平变化的能力，但是其被感知的分子机制在很大程度上仍然未知。一个经常被忽视的机制是CO2可以直接作为亲电试剂，共价羧化修饰赖氨酸的ε-氨基形成氨基甲酸，以直接调节蛋白的生化性质。但Lys-CO2又会在几秒钟内迅速分解为Lys和CO2，这种特性使得表征Lys-CO2的表征较为困难，但也使Lys-CO2非常适合作为分子传感器，通过调节蛋白功能来响应环境中CO2水平的波动。大多数已知的Lys-CO2位点都是通过对晶体结构的观察偶然发现的，由于修饰的不稳定性，通过质谱直接鉴定Lys-CO2仅限于少数模式肽。本文作者认为，可以使用Lys选择性化学探针，通过与CO2的共价竞争来检测Lys-CO2位点。作者推测，CO2的小型亲电类似物，如二硫化碳(CS2)、异硫氰酸(SCNH)或异氰酸(OCNH)等可能与Lys形成稳定共价加合物，且它们可以为CO2-反应性赖氨酸提供特异性。作者选取了OXA-48 β-内酰胺酶进行验证，该酶的活性依赖于Lys73的羧化作用。作者发现OCNH可以有效抑制其活性，解析的晶体结构显示Lys73产生了稳定的加合物高瓜氨酸(hCit)；此外，OCNH仅标记了活性的Lys73和反应性更强的N-末端，表明OCNH是CO2忠实的生物电子等排体。随后，作者使用OXA-48和RuBisCO作为模型，确定CO2是否可以与不可逆的OCNH共价修饰竞争。作者发现，当存在50mM碳酸氢钠，即对应约2mM CO2浓度时，可以保护OXA-48不被OCNH灭活。
基于此发现，作者开发了定量赖氨酸羧化竞争质谱，因CO2会减少Lys-CO2特异性位点的高瓜氨酸生成水平，并基于TMT定量标签定义了CO2保护指数。运用质谱方法，作者对CO2响应蓝藻-集胞藻的Lys-CO2组学进行了分析，鉴定到集胞藻属的代谢调节蛋白PII，已知PII可以调节各种代谢途径，包括氮吸收系统。作者首先确认了PII的Lys90被羧化修饰，该位点是ATP相互作用基序的一部分，且在各种生物的PII蛋白中广泛保守。基于结构检查，作者推测Lys90的羧化很可能破坏PII与ATP的相互作用。实验数据也显示，不存在CO2时，PII对ATP的亲和力为2.5uM，而Lys90被羧化修饰后，亲和力将>50uM，表明CO2水平可以调节不同光合生物中ATP-PII复合物的形成。
总之，作者发现OCNH可以选择性的与天然CO2-羧化赖氨酸位点反应，产生稳定加合物hCit，并能被CO2竞争。基于此作者发展了赖氨酸羧化组学，阐明了Lys-CO2修饰对蓝藻关键代谢调节蛋白PII的调控作用，对于理解生物感知CO2浓度的分子机制至关重要。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-022-01043-1原文引用：DOI：10.1038/s41589-022-01043-1
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