蛋白质精氨酸甲基化是一种调控蛋白质功能的重要翻译后修饰，其与众多疾病的发生发展密切相关。研究表明，精氨酸二甲基化会影响一些神经退行性疾病相关蛋白的液-液相分离 (liquid-liquid phase separation, LLPS) ，以及相分离所驱动的无膜细胞器的产生。然而，受限于目前精氨酸二甲基化 (arginine demethylation, DMA) 蛋白质组分析技术覆盖率不足，这类研究只聚焦于少数几个蛋白，尚未有在蛋白质组学层面系统性研究过精氨酸甲基化对蛋白质相分离的影响。

近日，上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪研究员团队与大连化学物理研究所叶明亮研究员团队合作在《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS) 上发表题为 “Global profiling of arginine dimethylation in regulating protein phase separation by a steric effect-based chemical-enrichment method” 的研究论文。研究者将硼酸化学引入到甲基化蛋白质组分析方法中，并巧妙利用了精氨酸残基上不同修饰基团的位阻差异，开发了基于空间效应的化学富集方法 (steric effect–based chemical-enrichment method, SECEM)，实现了高效的DMA肽段富集，显著提高了蛋白质甲基化的分析能力；并进一步利用发展的新方法在蛋白质组学层面系统研究分析了蛋白质LLPS中DMA的变化，并通过体外蛋白甲基化实验和突变实验验证，阐释了DMA修饰动态调控蛋白质的LLPS的机制。

图1. 左：SECEM的设计原理；右：精氨酸甲基化抑制G3BP1，FUS，hnRNPA1和KHDRBS1的LLPS。

本研究发现，不同甲基化修饰的精氨酸残基在与邻二酮类化合物反应时，由于位阻不同，反应活性差异巨大。合作团队据此设计了一种DMA肽段的富集方法：先利用环己二酮选择性的封闭无修饰精氨酸残基，随后利用丙酮醛选择性的在二甲基化精氨酸残基上修饰顺式邻二羟基，从而使得硼酸材料可以选择性的富集DMA肽段。相比传统的免疫亲和富集方法，该方法拥有较强的DMA肽段富集能力，特别是在鉴定RG/RGG序列上的DMA位点方面有更高的灵敏度。

合作团队将该方法应用于分析蛋白质LLPS过程中精氨酸甲基化的变化中。发现了一系列与无膜细胞器以及神经退行性疾病密切相关蛋白质，如：G3BP1，FUS，hnRNPA1和KHDRBS1的DMA程度发生了显著变化；经体外甲基化实验和突变实验验证发现，精氨酸甲基化会显著降低这些蛋白质的相分离能力。结合蛋白质组分析表明鉴定到存在显著变化的甲基化位点是调控蛋白质相分离的关键因素。总之，本研究开发了基于化学反应的DMA蛋白质组分析方法，并利用其揭示DMA对蛋白质LLPS具有重要的调控作用。

文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205255119