细胞信号的“罗塞塔石碑”可以加速精确的癌症治疗

人类蛋白激酶图谱使科学家能够以前所未有的速度和细节绘制细胞信号通路。

　　

一个新的完整的人类蛋白激酶及其首选结合位点数据库为研究细胞信号通路提供了一个强大的新平台。

经过25年的研究，麻省理工学院、哈佛大学和耶鲁大学的科学家和合作者公布了人类酪氨酸激酶的综合图谱，酪氨酸激酶是一种调节多种细胞活动的酶，以及它们的结合位点。

将酪氨酸激酶添加到先前发表的同一组数据集中，现在完成了所有人类激酶及其在蛋白质上的特定结合位点的免费，公开可用的图谱，这些激酶一起协调基本的细胞过程，如生长，细胞分裂和代谢。

现在，研究人员可以使用质谱法(一种常见的实验室技术)的数据来识别人体组织中正常和失调的细胞信号所涉及的激酶，比如在炎症或癌症进展期间。

“我最兴奋的是能够将其应用于个体患者的肿瘤，并了解癌症的信号状态和信号的异质性，”Michael Yaffe说，他是麻省理工学院的大卫·h·科赫科学教授，麻省理工学院精密癌症医学中心主任，麻省理工学院科赫综合癌症研究所的成员，也是这项新研究的高级作者。“这可能会揭示新的药物靶点或新的联合疗法。”

这项研究发表在《Nature》杂志上。

激酶王国

人类细胞是由多种蛋白激酶组成的网络控制的，这些蛋白激酶通过添加或移除被称为磷酸基团的化合物来改变其他蛋白质的特性。磷酸基团虽小但很强大:当它们附着在蛋白质上时，它们可以打开或关闭蛋白质，甚至显著改变蛋白质的功能。在近400种人类激酶中，确定哪一种能在蛋白质上的特定位点磷酸化特定蛋白质，传统上是一个漫长而费力的过程。

从20世纪90年代中期开始，坎特利实验室开发了一种方法，使用小肽库来识别最佳氨基酸序列-称为基序，类似于可扫描的条形码-激酶在其底物蛋白上靶向添加磷酸基团。在接下来的几年里，Yaffe、Turk和Johnson都在坎特利实验室做博士后，他们在这项技术上取得了开创性的进步，提高了其吞吐量、准确性和实用性。

Johnson领导了大量的实验工作，将一批激酶暴露在这些肽库中，观察哪些激酶磷酸化了哪些肽亚群。在《Nature》杂志于2023年1月发表的一篇相应的论文中，该团队将300多种丝氨酸/苏氨酸激酶(另一种主要的蛋白激酶)映射到它们的基序上。在目前的论文中，他们通过成功地将93种酪氨酸激酶映射到相应的基序，完成了人类“kinome”。

接下来，通过创建和使用先进的计算工具，Yaron-Barir、Krismer、Joughin、Takegami和Yaffe测试了这些结果是否可以预测真实的蛋白质，以及这些结果是否可以揭示正常细胞和癌细胞中未知的信号事件。通过质谱分析磷酸化蛋白质组学数据揭示细胞磷酸化模式，他们的图谱准确预测了酪氨酸激酶活性在先前研究的细胞信号通路中。

例如，利用最近发表的用两种靶向药物治疗的人肺癌细胞的磷酸化蛋白质组学数据，图谱发现用厄洛替尼(一种已知的EGFR蛋白抑制剂)治疗会下调与EGFR基序匹配的位点。使用阿法替尼(一种已知的HER2抑制剂)治疗可下调与HER2基序匹配的位点。出乎意料的是，阿法替尼治疗还上调了酪氨酸激酶MET的基元，这一发现有助于解释将MET活性与阿法替尼耐药性联系起来的患者数据。

可操作的结果

研究人员可以通过两种主要方式使用新的地图集。首先，对于一种正在被磷酸化的蛋白质，图谱可以用来缩小数百种激酶的范围，使其成为可能参与磷酸化的候选蛋白。Yaffe说:“使用这种方法得出的预测仍然需要实验验证，但这是在做出可以测试的明确预测方面迈出的一大步。”

其次，该图谱使磷蛋白质组学数据更有用和可操作。过去，研究人员可能会从组织样本中收集磷蛋白质组学数据，但很难知道这些数据在说什么，也很难知道如何最好地利用这些数据来指导下一步的研究。现在，这些数据可以用来预测哪些激酶被上调或下调，从而预测哪些细胞信号通路是活跃的或不活跃的。

Yaffe说:“我们现在有了一种新的工具来解释这些大型数据集，这是磷蛋白质组学的罗塞塔石碑。这将特别有助于将这类疾病数据转化为可操作的项目。”

在癌症的背景下，来自患者肿瘤活检的磷酸化蛋白质组学数据可以用来帮助医生快速识别哪些激酶和细胞信号通路参与了癌症的扩张或耐药性，然后利用这些知识来针对这些途径进行适当的药物治疗或联合治疗。

Yaffe的实验室和他们在美国国立卫生研究院的同事们现在正在利用图谱寻找对疑难癌症的新见解，包括阑尾癌和神经内分泌肿瘤。虽然许多癌症已被证明具有很强的遗传成分，例如乳腺癌中的BRCA1和BRCA2基因，但其他癌症与任何已知的遗传原因无关。他说:“我们正在使用这个图谱来调查这些似乎没有明确基因驱动的肿瘤，看看我们是否能识别出驱动癌症进展的激酶。”

生物的见解

除了完成人类激酶图谱外，该团队在最近的研究中还发现了两项生物学发现。首先，他们确定了酪氨酸激酶的三种主要磷酸化基序或条形码。第一类是映射到多个激酶的基序，这表明许多信号通路会聚在一起磷酸化具有该基序的蛋白质。第二类是基序和激酶之间一对一匹配的基序，其中只有特定的激酶才能激活具有该基序的蛋白质。这是一个部分的惊喜，因为酪氨酸激酶被认为是最小的特异性领域的一些人。

最后一类包括与78种经典酪氨酸激酶中的一种没有明确匹配的基序。这类基序包括与15种非典型酪氨酸激酶相匹配的基序，这些激酶已知也能磷酸化丝氨酸或苏氨酸残基。Yaffe说:“这意味着有一部分我们没有认识到的激酶实际上起着重要的作用。”它还表明，除了单独的基序外，可能还有其他机制影响激酶如何与蛋白质相互作用。

研究小组还发现，尽管人类和秀丽隐杆线虫之间存在6亿多年的进化差异，但人类和线虫之间的酪氨酸激酶基元是紧密保守的。换句话说，线虫激酶和它的人类同源物磷酸化的本质上是相同的基序。这一序列的保存表明酪氨酸激酶对所有多细胞生物的信号通路至关重要，任何微小的变化都可能对生物体有害。