Nature公布“真正有用”的细胞图谱：包含300多种人类细胞中发现的蛋白激酶

生物学家已经绘制出了300多种蛋白激酶及其靶点，他们希望这能为抗癌药物的研发提供新的线索。

　　

蛋白质激酶是人类最重要的一类酶，它是一种信号分子，调节几乎所有的细胞活动，包括生长、细胞分裂和代谢。这些细胞通路的功能障碍会导致各种疾病，尤其是癌症。

识别参与细胞功能障碍和癌症发展的蛋白激酶可以产生许多新的药物靶点，但对于这些激酶中的绝大多数，科学家并不清楚它们参与了哪些细胞通路，或者它们的底物是什么。

“我们有很多癌症基因组的测序数据，但我们缺少的是对癌症信号通路和蛋白激酶激活状态的大规模研究。如果我们有这些信息，我们就会对如何治疗特定肿瘤有更好的方法，”麻省理工学院精准癌症医学中心主任Michael Yaffe说。

Yaffe和其他研究人员现在已经创建了一个包含300多种人类细胞中发现的蛋白激酶的综合图谱，并确定了它们可能靶向和控制的蛋白质。这些信息可以帮助科学家破译许多细胞信号通路，并帮助他们发现当细胞癌变或使用特定药物治疗时，这些通路发生了什么。

哈佛医学院细胞生物学教授Lewis Cantley和耶鲁医学院药理学副教授Benjamin Turk也是这篇论文的资深作者，这篇论文今天发表在《自然》杂志上。这篇论文的主要作者是威尔康奈尔医学院的药理学讲师Jared Johnson和威尔康奈尔医学院的研究生Tomer Yaron。

“罗塞塔石碑”

人类基因组包括500多种蛋白激酶，它们通过标记一种被称为磷酸基团的化学修饰来激活或灭活其他蛋白质。对于这些激酶中的大多数，它们所针对的蛋白质是未知的，不过对激酶如MEK和RAF的研究已经产生了抑制这些激酶的新癌症药物，这两种激酶都参与控制生长的细胞通路。

为了确定癌细胞中调控异常的其他途径，研究人员利用质谱分析磷酸化蛋白质组学phosphoproteomics，这是一种根据分子质量和电荷分离分子的技术，希望能发现癌细胞或健康细胞中磷酸化程度更高的蛋白质。然而，到目前为止，还没有简单的方法来检查质谱数据，确定哪些蛋白激酶负责磷酸化这些蛋白质。正因为如此，这些蛋白质在疾病中是如何被调节或失调的仍然是未知的。

“对于大多数被测量的磷酸肽，我们不知道它们在信号通路中的位置。我们没有罗塞塔石碑，你可以用它来观察这些肽，并说，这就是数据告诉我们的途径，原因是，对于大多数蛋白激酶，我们不知道它们的底物是什么。”

25年前，在Cantley实验室做博士后时，Yaffe开始研究蛋白激酶在信号通路中的作用。不久之后，Turk加入了实验室，从那以后，他们三个人在自己的研究小组中花了几十年时间研究这些酶。

Yaffe说:“这项合作始于25年前我Ben在Lew实验室时开始的合作，现在终于真正走到了一起，这在很大程度上是由一作Jared和Tomer所做工作推动的。”

在这项研究中，研究人员分析了两类激酶——丝氨酸激酶和苏氨酸激酶，它们约占人体蛋白质激酶的85%，这基于他们将磷酸基置于何种结构基序上。

通过Cantley和Turk之前创建的肽库来寻找激酶相互作用的基序，研究人员测量了肽如何与所有已知的303种丝氨酸和苏氨酸激酶相互作用。他们还使用计算模型来分析他们观察到的相互作用，能够识别出能够磷酸化人类细胞中已报道的90,000个已知磷酸化位点中的每一个的激酶，对于这两类激酶。

令他们惊讶的是，研究人员发现许多具有非常不同氨基酸序列的激酶已经进化到可以结合并磷酸化其底物上的相同基序。他们还表明，他们研究的激酶中约有一半是针对三个主要基元类别中的一个，而剩下的一半是针对大约十几个较小类别中的一个。

解码信号网络

Yaffe说，这种新的激酶图谱可以帮助研究人员识别正常细胞和癌细胞之间，或治疗和未治疗癌细胞之间的不同信号通路。

“这个激酶基序图谱现在能帮助我们解码信号网络，我们可以观察所有这些磷酸化的肽，并将它们映射到特定的激酶上。”

为了证明这种方法，研究人员分析了用一种抗癌药物处理的细胞，这种药物抑制了一种叫做Plk1的激酶，这种激酶调节细胞分裂。当他们分析磷酸化蛋白的表达时，他们发现许多受影响的蛋白都受到Plk1的控制，正如他们所预期的那样。令他们惊讶的是，他们还发现这种处理增加了参与细胞对DNA损伤反应的两种激酶的活性。

Yaffe的实验室现在试图利用这个图谱，找到其他驱动癌症发展的功能失调的信号通路，特别是在某些没有发现遗传驱动因素的癌症类型中。

他说:“我们现在可以利用磷蛋白组学来判断，也许在这个病人的肿瘤中，这些通路上调的还是下调的。在驱动癌症的基因并不明显的情况下，它有可能识别出驱动癌症的信号通路。”

这项研究由白血病和淋巴瘤协会、美国国立卫生研究院、英国癌症研究所、脑瘤慈善机构、查尔斯和玛乔丽·霍洛威基金会、麻省理工学院精准癌症医学中心以及美国国家癌症研究所的科赫研究所支持(核心)资助。

原文标题：

An atlas of substrate specificities for the human serine/threonine kinome