熱蛋白質組學是一種結合熱穩定性分析與質譜技術的高通量、無偏向性蛋白質組篩選方法。其原理是藥物與蛋白結合會影響蛋白質的熱穩定性，使結合蛋白在加熱后表現出更高的穩定性。蛋白質的熱穩定性變化是研究配體結合的重要手段，也是藥靶發現的關鍵環節。當細胞或細胞裂解液被加熱到特定溫度時，蛋白質會發生變性并逐漸不溶。然而，與非結合狀態的蛋白相比，被小分子藥物結合的蛋白更具熱穩定性，在相同溫度條件下其變性程度較小。通過比較不同溫度下蛋白質的溶解曲線（Tm）及其差異（ΔTm），熱蛋白質組學能夠在全蛋白質組水平上識別潛在的藥物靶點，并通過通路富集分析和實驗驗證鎖定關鍵靶點。目前，熱蛋白質組學已廣泛應用于新藥靶點發現、機制解析和藥物適應癥拓展等領域，尤其在揭示小分子藥物的多靶點效應方面具有顯著優勢。
細胞熱轉移實驗是一種經典的熱穩定性分析方法，它通過檢測蛋白在不同溫度條件下的熱穩定性，來揭示小分子藥物與蛋白質的結合情況。 細胞熱轉移實驗最初多采用蛋白質印跡法（WB）進行檢測，這種方法雖然特異性較高，但通量較低，通常適用于靶點篩選后的驗證階段。隨著質譜技術的飛速發展， 細胞熱轉移實驗與基于質譜的定量蛋白質組學相結合，衍生出了熱蛋白質組學 方法。這種結合定量質譜和熱穩定性分析的技術，為藥物靶點的全面解析提供了強有力的支持，顯著提高了藥物靶標篩選的效率和準確性。在小分子藥靶研究日益復雜的今天，百泰派克生物科技憑借深厚的蛋白質組學研究積淀和先進的質譜平臺，為科研人員提供高效、精準的熱蛋白質組學解決方案，助力新藥研發及藥物靶點的全面解析。
圖1. 熱蛋白質組學方法流程（Savitski et al., 2014）
相關應用文獻一：
標題：Lactate regulates cell cycle by remodelling the anaphase promoting complex
乳酸通過重塑細胞分裂后期促進復合體來調節細胞周期
期刊：Nature
IF：50.5
時間：2023
主要研究內容：
乳酸在快速分裂的細胞中是豐富的，因為需要提高葡萄糖分解代謝來支持增殖，但是目前尚不清楚積累的乳酸是否影響增殖狀態。在這里，使用系統的方法來確定橫跨人類蛋白質組的蛋白質的乳酸依賴調節。為了確定乳酸豐度升高對整個蛋白質組的直接影響，研究人員應用熱蛋白質組學方法系統地評估蛋白質熱穩定性的變化，監測了超過3900個蛋白質的乳酸依賴性熱穩定性變化，其中表現出最穩定的熱穩定性變化的蛋白是UBE2C。后續的研究確定了一種細胞周期調節機制，即積累的乳酸重塑了后期促進復合物（APC/C），以這種方式重塑APC/C是由乳酸直接抑制SUMO蛋白酶SENP1引起的。研究發現積累的乳酸通過在SENP1活性位點與鋅形成復合物結合并抑制SENP1。乳酸抑制SENP1穩定了APC4上兩個殘基的SUMOylation，從而驅動UBE2C與APC/C結合。乳酸對APC/C的直接調節刺激細胞周期蛋白的定時降解，并在增殖的人類細胞中有效地退出有絲分裂。這個機制是在有絲分裂進入時乳酸豐度達到頂點時啟動的。通過這種方式，乳酸的積累傳達了營養充足的生長階段的結果，以刺激APC/C的定時開放、細胞分裂和增殖。相反，乳酸的持續積累會導致APC/C異常重構，并通過有絲分裂滑移克服抗有絲分裂藥理學。
圖2. 乳酸調節APC/C蛋白相互作用
相關應用文獻二：
標題：Selective activation of PFKL suppresses the phagocytic oxidative burst
選擇性激活PFKL可抑制吞噬性氧化爆發
期刊：Cell
IF：45.5
時間：2021
研究概要：
圖3
主要研究內容：
在中性粒細胞中，通過戊糖磷酸途徑產生的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）為NADPH氧化酶NOX2提供燃料，產生活性氧來殺死入侵的病原體；但是過量的NOX2活性可加重炎癥，如急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）。在這里使用兩種無偏向的化學蛋白質組學策略來證明小分子LDC7559或更有效的設計類似物NA-11，通過激活糖酵解酶磷酸果糖激酶-1肝型（PFKL）和抑制戊糖磷酸途徑的通量來抑制中性粒細胞中NOX2依賴性的氧化爆發。因此，用NA-11處理的中性粒細胞減少了NOX2依賴性輸出，包括中性粒細胞死亡（NETosis）和組織損傷。PFKL的高分辨率結構證實了NA-11與AMP/ADP變構活化位點的結合，并解釋了為什么NA-11不能誘導磷酸果糖激酶-1血小板型（PFKP）或肌肉型（PFKM）。因此，NA-11代表了一種選擇性激活PFKL的工具，PFKL是免疫細胞中表達的主要磷酸果糖激酶-1亞型。
圖4. NA-11全局相互作用物和特異性靶點的化學蛋白質組學分析
相關應用文獻三：
標題：Thermal proteome profiling reveals fructose-1,6-bisphosphate as a phosphate donor to activate phosphoglycerate mutase 1
熱蛋白質組分析顯示果糖-1,6-二磷酸是激活磷酸甘油突變酶1的磷酸供體
期刊：Nature Communications
IF：14.7
時間：2024
主要研究內容：
對糖代謝-蛋白質相互作用的深入理解將為糖代謝重編程在人體生理病理中的應用提供啟示。盡管已經為確定單個事件做出了巨大的努力，但對這種相互作用的全局分析仍然具有挑戰性。此項研究通過糖酵解代謝產物果糖-1,6-二磷酸（FBP）相互作用蛋白的熱蛋白質組學分析，揭示了FBP的化學信號作用，它作為磷酸供體激活磷酸甘油酸突變酶1 (PGAM1)，并為糖酵解和細胞增殖提供通路內反饋。在分子水平上，FBP向PGAM1的催化組氨酸提供C1-O-磷酸或C6-O-磷酸，形成3-磷酸組氨酸（3-pHis）修飾。重要的是，結構-活性關系研究有助于發現可能抑制癌細胞增殖的PGAM1直立抑制劑。研究共同描繪了FBP相互作用組的光譜，并發現了FBP獨特的共價信號功能，該功能通過組氨酸磷酸化支持Warburg效應，從而激發了針對糖代謝的藥理學工具的開發。
圖5. FBP相互作用蛋白的熱蛋白質組分析
隨著熱蛋白質組學在小分子藥靶研究中的廣泛應用，科研人員在靶點篩選、藥物重定位及新藥開發等領域的研究進入了全新的階段。通過高通量、高靈敏度的蛋白質組學分析，熱蛋白質組學能夠高效識別潛在的藥物靶點，并為藥物機制的深入理解提供強有力的數據支持。
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參考文獻：
1.Mikhail M. Savitski et al. ,Tracking cancer drugs in living cells by thermal profiling of the proteome.Science346,1255784(2014).DOI:10.1126/science.1255784.
2.Liu, W., Wang, Y., Bozi, L.H.M. et al. Lactate regulates cell cycle by remodelling the anaphase promoting complex. Nature 616, 790–797 (2023).
3.Amara, Neri et al. Selective activation of PFKL suppresses the phagocytic oxidative burst. Cell, Volume 184, Issue 17, 4480 - 4494.e15.
4.Zhang, Y., Cao, Y., Wu, X. et al. Thermal proteome profiling reveals fructose-1,6-bisphosphate as a phosphate donor to activate phosphoglycerate mutase 1. Nat Commun 15, 8936 (2024).
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