酪氨酸硫酸化是蛋白质上酪氨酸残基发生的一种关键翻译后修饰，参与多种生理和病理过程，如受体-配体识别、激素调节等。有研究指出，酪氨酸硫酸化可能是最常见的酪氨酸翻译后修饰形式，约有1%的酪氨酸残基会被硫酸化。然而自1954年首次发现酪氨酸硫酸化以来，目前仅经实验鉴定到约160种酪氨酸硫酸化蛋白质。因此，酪氨酸硫酸化仍然是最少被研究的蛋白质翻译后修饰之一。目前，酪氨酸硫酸化的检测手段仍存在诸多局限。质谱已被公认为研究蛋白质翻译后修饰的有力工具，但由于酪氨酸硫酸化对pH和温度高度敏感，再加上另一种分子量非常接近的翻译后修饰（仅相差0.0095 Da）——酪氨酸磷酸化的干扰，使得质谱在酪氨酸硫酸化的鉴定上面临巨大挑战。此外，硫酸化蛋白质的极低丰度，以及其在纯化分离过程中的不稳定性进一步增加了检测的复杂性和难度。因此，迫切需要一种高通量的单分子检测方法，能够直接且明确地确定酪氨酸的硫酸化状态。
研究团队提出了一种不受多肽序列影响的纳米孔道识别策略，用于鉴定酪氨酸硫酸化状态。通过精准设计Aerolysin生物纳米孔道的单分子界面，从而强化了酪氨酸硫酸化基团与Aerolysin传感区域的特异性相互作用识别。利用该方法，研究人员成功识别了天然多肽片段上的多种酪氨酸硫酸化状态，并通过全原子分子动力学模拟验证了硫酸化诱导的非共价相互作用以特异性识别酪氨酸硫酸化的纳米孔道机制。这项策略不仅能够识别序列完全不同的天然多肽上的硫酸化修饰状态，还揭示了硫酸化诱导的阻断电流变化与多肽分子量之间的相关性。基于此，研究人员建立了一种通用的方法，可快速鉴定天然多肽混合物中酪氨酸硫酸化，并确定其修饰数量，成功应用于水蛭素蛋白中的酪氨酸硫酸化及其所在片段序列的精准识别。此外，该方法还实现了低丰度的硫酸化多肽的检测，区分了多肽中同一位点、具有相同分子量的硫酸化与磷酸化修饰。该研究首次建立了纳米孔道中酪氨酸硫酸化鉴定的通用策略，为进一步探索鉴定未知酪氨酸硫酸化蛋白质提供了强大工具，并将助力深入探索硫酸化在生理和病理过程中的关键作用。
该工作以“Direct Mapping of Tyrosine Sulfation States in Native Peptides by Nanopore”为题，于2024年9月25日在《Nature Chemical Biology》发表（https://www.nature.com/articles/s41589-024-01734-x）。南京大学化学化工学院李孟寅副研究员与龙亿涛教授为共同通讯作者，牛红艳（2020级博士研究生）、李孟寅副研究员为共同第一作者。在硫酸化蛋白质样品方面得到了华南理工大学何春茂教授的大力支持。此项研究获到了国家自然科学基金及南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划项目的资助。
图1：基于纳米孔道的酪氨酸硫酸化状态直接测量
图2：基于分子动力学模拟的纳米孔道酪氨酸硫酸化状态检测机制探究
图3：非序列依赖性的多肽酪氨酸硫酸化识别
图4：蛋白质中酪氨酸硫酸化的鉴定
图5：酪氨酸硫酸化与磷酸化的区分