Transsulfurase‐Catalyzed Reversible Modification of C‐Terminal Cysteine and Application for Orthogonal Dual Labeling of Proteins

半胱氨酸 化学 终端(电信) 对偶(语法数字) 催化作用 翻译后修饰 组合化学 生物化学 计算机科学 电信 文学类 艺术
作者
Baishen Pan,Chi Zhou,Wei‐Han Meng,Ling‐Yang Zhang,Jialong Zhao,Xun‐Cheng Su
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:137 (42)
标识
DOI:10.1002/ange.202507661
摘要

Abstract Protein thiol bioconjugation in combination with reversible modification of cysteine is a powerful strategy for orthogonal dual labeling of protein cysteine residues. Here, we utilize recombinant Escherichia coli ( E. coli ) cultivated in high‐phosphate minimal medium for the expression of ubiquitin G76C, and discovered that cystathionine‐γ‐synthase (CGS), an enzyme in bacterial methionine biosynthesis, catalyzes both in cells and in vitro a site‐specific and high‐efficient γ‐replacement reaction of the flexible C‐terminal cysteine with O‐succinyl‐homoserine, leading to the addition of a 3‐amino‐3‐carboxypropyl (acp) group. Mechanistic studies using high‐resolution NMR reveal a very weak ternary association among cystathionine‐γ‐synthase, O‐succinyl‐homoserine, and ubiquitin G76C. Cystathionine‐γ‐lyase (CGL), involved in cysteine biosynthesis, specifically catalyzes the α,γ‐elimination reaction of the modified unit, thereby effectively removing the acp unit in vitro. Their catalytic efficiency and selectivity of both enzymes were evaluated, and each one shows unidirectional catalytic activity for proteins. Reversible modification of C‐terminal cysteines across a broad range of proteins can be achieved by CGS and CGL. Finally, we demonstrated the feasibility of using this two‐enzyme system for orthogonal dual labeling of proteins in combination with thiol bioconjugation techniques. This discovery significantly broadens the toolkit for protein thiol modifications and holds substantial application for the dual site‐specific functionalization of proteins.
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