分享一篇发表在Nature Chemical Biology上的文章，标题为“Reactivity-based metabolomics reveal cysteine has glyoxalase 1-like and glyoxalase 2-like activities”，通讯作者为奥胡斯大学Johannsen老师，研究方向为蛋白质修饰和代谢组学。

甲基乙二醛（MG）是一种在所有生命体中均可产生的亲电性代谢。它能与生物大分子上的亲核基团发生非酶促反应，形成影响细胞功能的产物。尽管针对MG引起的蛋白质修饰已研究数十年，但对其代谢加合物组的研究仍十分有限。而随着越来越多研究揭示代谢产物组具有调控功能又可作为生物标志物，因此对其的系统研究非常重要。为此，作者开发了同位素标记与反应活性联用策略以识别MG和LGSH与亲核代谢物新形成的加合物组。

作者使用轻标和+3.01Da重标的MG对细胞分别培养，提取代谢物组送入LC-QTOF-MS，通过筛选保留时间一致、峰强度相同但精确质量数相差3.01 Da的特征峰，可鉴定出源自MG的代谢物加合物。

通过该特征模式搜索，作者共鉴定出28对MG/13C3-MG特征峰（MG-pairs）。作为方法验证，作者成功鉴定出已知的MG衍生加合物——氢咪唑酮1/3（MG-H1/3）和羧乙基精氨酸（CEA）。作者由表达水平初步猜测其他4对未被报道过的质量分别对应D-Lac-Cys、L-Lac-Cys、D-Lac-Gln和 D-Lac-Met。作者合成了对应的加合物标样，其保留时间和MS/MS碎片谱均与细胞内观测结果吻，证实了MG确实存在这4种新修饰。

进一步，作者对D-Lac-Cys、L-Lac-Cys的形成机理感到好奇。模拟生理条件，作者将10 μM 的MG与150 μMCys混合，观察到D-Lac-Cys和L-Lac-Cys生成（图2f,g），其中L-Lac-Cys为主产物（D:L ≈ 1:2）。作者从MG与GSH的反应机理中得到灵感，认为这一反应的机理可能为Cys与MG首先形成半硫缩醛（HTA），HTA通过GLO1重排生成S-D/L-Lac-Cys，S-D/L-Lac-Cys进一步发生硫酯到酰胺的迁移，生成更稳定的D/L-Lac-Cys。

然而， D-Lac-Cys的基础水平稍高于L-Lac-Cys和其他乳酰化氨基酸。但是又根据前文讨论知道自发反应以1:2的优势主要生成L-Lac-Cys，因此作者认为D-Lac-Cys可能还可以通过其他途径形成。

为验证这一假设，作者利用GLO2敲除（KO）的HEK293细胞进行代谢组学分析。结果显示GLO2缺失导致细胞内LGSH积累，并伴随蛋白质赖氨酸乳酰化水平升高。LC-QTOF-MS分析显示，D-乳酰化氨基酸（如D-Lac-Cys）在GLO2 KO细胞中显著上调，表明GLO2通过降解LGSH间接调控这类代谢物的水平。这一结果支持了细胞内D-Lac-Cys主要来源于LGSH的假说。作者随后通过体外反应证实含侧链巯基的氨基酸能与LGSH高效反应，表明LGSH可通过非酶促反应乳酰化半胱氨酸。

作者猜测这一反应的机理可能涉及迁移。并随后由动力学实验验证了Cys和LGSH反应的高效与快速。

由这一特点，作者认为该反应可能在细胞内对D/L-Lac-Cys水平起到调控作用。为了验证这一点，作者分别在高浓度和正常浓度Cys培养基中培养了WT与GLO2 KO细胞。结果发现D-Lac-Cys在高浓度Cys培养基条件下的两种细胞中含量与半胱氨酸水平直接相关。GLO2 KO细胞中D-Lac-Cys水平比WT高约10倍，再次证实LGSH是其代谢前体；L-Lac-Cys在高浓度Cys培养基中的WT细胞中增加约2倍，GLO2 KO细胞中增幅较小。L-Lac-Cys的绝对水平在WT与KO细胞间无显著差异，表明MG（而非LGSH）是其前体。

最后，作者论述了D/L-Lac-Cys水平调控的意义。在糖尿病和癌症等代谢性疾病中，MG和LGSH水平通常升高，而半胱氨酸和GSH被耗竭，后者会影响细胞的抗氧化能力。而Cys对MG/LGSH的非酶促清除作用可能有利于缓解糖尿病症状。作者分析了糖尿病小鼠尿液中的D/L-Lac-Cys水：8周糖尿病小鼠的尿液中D-Lac-Cys和L-Lac-Cys水平显著高于对照组（图4b,c），且D-异构体占主导（比例约2:1）。12周糖尿病小鼠的尿液中二者差异不再显著，可能与疾病晚期半胱氨酸耗竭有关。

综上所述，作者揭示了Cys在MG代谢中的独特作用，其通过两种不同的非酶促反应途径生成D-和L-乳酰化半胱氨酸（Lac-Cys），分别模拟了GLO2和GLO1的酶功能。

本文作者：ZYH

责任编辑：WYQ

DOI：10.1038/s41589-025-01909-0

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41589-025-01909-0