蛋白質(zhì)磷酸化是生物學(xué)中最廣泛的翻譯后修飾之一，其中絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸和組氨酸殘基上的蛋白質(zhì)磷酸化幾乎控制著真核細(xì)胞各個(gè)功能，迄今，基于質(zhì)譜的磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)已幫助人們鑒定出90000個(gè)絲氨酸(Ser)和蘇氨酸(Thr)磷酸化位點(diǎn)，其中數(shù)千個(gè)與人類疾病和生物過程有關(guān)。解讀這些蛋白激酶信號(hào)的必須手段就是闡明其下游的效應(yīng)底物，然而到目前，對(duì)于絕大多數(shù)的磷酸化事件，人們都不知道這300多種的Ser/Thr激酶參與了哪些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路?它們的底物究竟是誰?這大大限制了人們對(duì)細(xì)胞磷酸化網(wǎng)絡(luò)的理解，也限制了藥物靶點(diǎn)的開發(fā)。
眾所周知，激酶識(shí)別基序可以促進(jìn)人們對(duì)新底物的發(fā)現(xiàn)，早年Lewis C Cantley和Benjamin E Turk發(fā)表的組合肽庫篩選方法能夠基于肽底物的磷酸化快速確定單個(gè)激酶的特異性。
近日，來自美國威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院的Lewis C Cantley、麻省理工學(xué)院Michael B. Yaffe、和耶魯大學(xué)Benjamin E Turk研究小組再度合作，在Nature雜志上發(fā)表題為An atlas of substrate specificities for the human serine/threonine kinome的研究論文，這篇文章在前期方法的基礎(chǔ)上確定Ser/Thr激酶的最佳特異性底物，基于基序表征激酶之間的關(guān)系，構(gòu)建了人細(xì)胞中300多種蛋白激酶的綜合圖譜。并使用全基因組數(shù)據(jù)集來計(jì)算注釋和鑒定能夠磷酸化人Ser/Thr磷酸化蛋白質(zhì)組中每個(gè)報(bào)道的磷酸化位點(diǎn)的激酶，結(jié)果顯示作者所預(yù)測(cè)的和報(bào)道的非常吻合。這項(xiàng)研究揭示了人Ser/Thr激酶組的內(nèi)在底物特異性，為細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的磷酸化事件及生物學(xué)過程的研究帶來了更多的資源。
現(xiàn)如今癌癥基因組測(cè)序數(shù)據(jù)浩如煙海，而這其中卻尋覓不到蛋白激酶與信號(hào)通路的相關(guān)研究，假如這些信息被人類所發(fā)現(xiàn)，對(duì)于疾病的治療將會(huì)帶來更多線索與契機(jī)。作者首先通過位置掃描肽陣列分析(PSPA)，確定了人Ser/Thr激酶的底物識(shí)別基序，成功獲得了303個(gè)Ser/Thr激酶的磷酸化位點(diǎn)基序。
作者對(duì)磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果進(jìn)行全基因組注釋，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況下，磷酸化位點(diǎn)的線性序列背景對(duì)激酶-底物關(guān)系發(fā)揮重要的貢獻(xiàn)。
值得注意的是，該基序預(yù)測(cè)還成功識(shí)別了磷酸化激酶研究中的首個(gè)里程碑事件——1959年，Edwin G.Krebs和Edmond H.Fischer兩位諾獎(jiǎng)得主發(fā)現(xiàn)的糖原磷酸化酶的Ser15磷酸化，以及迄今為止報(bào)道最多的ATM-p53 Ser15磷酸化互作。
由于細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，作者需要對(duì)磷酸化蛋白質(zhì)組進(jìn)行全局基序分析，作者使用PLK1抑制劑處理HeLa細(xì)胞，含有PLK1基序的底物顯著下調(diào)，另外ATM和ATR磷酸化的底物上調(diào)，與先前報(bào)道的結(jié)果高度一致，PLK1能夠抑制有絲分裂細(xì)胞中的DNA損傷信號(hào)。
另外，作者還分析了復(fù)雜干預(yù)條件所導(dǎo)致的信號(hào)變化事件，例如在電離輻射情況下，參與DNA損傷反應(yīng)的經(jīng)典激酶如ATM、ATR、DNA-PK上調(diào)，而參與細(xì)胞周期進(jìn)展的經(jīng)典激酶如CDK1、CDK2、CDK4、CDK6下調(diào)，與G1/S和G2/M阻滯一致。
此外，時(shí)間尺度的磷酸化變化也能夠被該方法所解析，例如胰島素刺激1 min后，MAPK通路激活，AMP激活的蛋白激酶在60分鐘內(nèi)下調(diào)。
總體而言，在這篇文章中，作者使用合成肽文庫來分析了303 種Ser/Thr激酶的底物序列特異性，這種新的激酶圖譜能夠有助于研究人員識(shí)別正常和疾病狀態(tài)下不同的信號(hào)通路，通過激酶來解碼信號(hào)網(wǎng)絡(luò)變化，應(yīng)用這些信息能夠捕獲遺傳學(xué)、藥理學(xué)、代謝和環(huán)境變化后細(xì)胞和組織中信號(hào)通路的復(fù)雜改變，即便在疾病驅(qū)動(dòng)基因不明確的情況下，也有可能幫助識(shí)別出驅(qū)動(dòng)疾病發(fā)生的信號(hào)通路。
文章轉(zhuǎn)自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05575-3
