一個(gè)新的完整的人類蛋白激酶及其首選結(jié)合位點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)為研究細(xì)胞信號(hào)通路提供了一個(gè)強(qiáng)大的新平臺(tái)。
經(jīng)過(guò)25年的研究，麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和耶魯大學(xué)的科學(xué)家和合作者公布了人類酪氨酸激酶的綜合圖譜，酪氨酸激酶是一種調(diào)節(jié)多種細(xì)胞活動(dòng)的酶，以及它們的結(jié)合位點(diǎn)。
將酪氨酸激酶添加到先前發(fā)表的同一組數(shù)據(jù)集中，現(xiàn)在完成了所有人類激酶及其在蛋白質(zhì)上的特定結(jié)合位點(diǎn)的免費(fèi)，公開可用的圖譜，這些激酶一起協(xié)調(diào)基本的細(xì)胞過(guò)程，如生長(zhǎng)，細(xì)胞分裂和代謝。
現(xiàn)在，研究人員可以使用質(zhì)譜法(一種常見的實(shí)驗(yàn)室技術(shù))的數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別人體組織中正常和失調(diào)的細(xì)胞信號(hào)所涉及的激酶，比如在炎癥或癌癥進(jìn)展期間。
“我最興奮的是能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于個(gè)體患者的腫瘤，并了解癌癥的信號(hào)狀態(tài)和信號(hào)的異質(zhì)性，”Michael Yaffe說(shuō)，他是麻省理工學(xué)院的大衛(wèi)·h·科赫科學(xué)教授，麻省理工學(xué)院精密癌癥醫(yī)學(xué)中心主任，麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所的成員，也是這項(xiàng)新研究的高級(jí)作者。“這可能會(huì)揭示新的藥物靶點(diǎn)或新的聯(lián)合療法。”
這項(xiàng)研究發(fā)表在《Nature》雜志上。
激酶王國(guó)
人類細(xì)胞是由多種蛋白激酶組成的網(wǎng)絡(luò)控制的，這些蛋白激酶通過(guò)添加或移除被稱為磷酸基團(tuán)的化合物來(lái)改變其他蛋白質(zhì)的特性。磷酸基團(tuán)雖小但很強(qiáng)大:當(dāng)它們附著在蛋白質(zhì)上時(shí)，它們可以打開或關(guān)閉蛋白質(zhì)，甚至顯著改變蛋白質(zhì)的功能。在近400種人類激酶中，確定哪一種能在蛋白質(zhì)上的特定位點(diǎn)磷酸化特定蛋白質(zhì)，傳統(tǒng)上是一個(gè)漫長(zhǎng)而費(fèi)力的過(guò)程。
從20世紀(jì)90年代中期開始，坎特利實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種方法，使用小肽庫(kù)來(lái)識(shí)別最佳氨基酸序列-稱為基序，類似于可掃描的條形碼-激酶在其底物蛋白上靶向添加磷酸基團(tuán)。在接下來(lái)的幾年里，Yaffe、Turk和Johnson都在坎特利實(shí)驗(yàn)室做博士后，他們?cè)谶@項(xiàng)技術(shù)上取得了開創(chuàng)性的進(jìn)步，提高了其吞吐量、準(zhǔn)確性和實(shí)用性。
Johnson領(lǐng)導(dǎo)了大量的實(shí)驗(yàn)工作，將一批激酶暴露在這些肽庫(kù)中，觀察哪些激酶磷酸化了哪些肽亞群。在《Nature》雜志于2023年1月發(fā)表的一篇相應(yīng)的論文中，該團(tuán)隊(duì)將300多種絲氨酸/蘇氨酸激酶(另一種主要的蛋白激酶)映射到它們的基序上。在目前的論文中，他們通過(guò)成功地將93種酪氨酸激酶映射到相應(yīng)的基序，完成了人類“kinome”。
接下來(lái)，通過(guò)創(chuàng)建和使用先進(jìn)的計(jì)算工具，Yaron-Barir、Krismer、Joughin、Takegami和Yaffe測(cè)試了這些結(jié)果是否可以預(yù)測(cè)真實(shí)的蛋白質(zhì)，以及這些結(jié)果是否可以揭示正常細(xì)胞和癌細(xì)胞中未知的信號(hào)事件。通過(guò)質(zhì)譜分析磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)揭示細(xì)胞磷酸化模式，他們的圖譜準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了酪氨酸激酶活性在先前研究的細(xì)胞信號(hào)通路中。
例如，利用最近發(fā)表的用兩種靶向藥物治療的人肺癌細(xì)胞的磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，圖譜發(fā)現(xiàn)用厄洛替尼(一種已知的EGFR蛋白抑制劑)治療會(huì)下調(diào)與EGFR基序匹配的位點(diǎn)。使用阿法替尼(一種已知的HER2抑制劑)治療可下調(diào)與HER2基序匹配的位點(diǎn)。出乎意料的是，阿法替尼治療還上調(diào)了酪氨酸激酶MET的基元，這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋將MET活性與阿法替尼耐藥性聯(lián)系起來(lái)的患者數(shù)據(jù)。
可操作的結(jié)果
研究人員可以通過(guò)兩種主要方式使用新的地圖集。首先，對(duì)于一種正在被磷酸化的蛋白質(zhì)，圖譜可以用來(lái)縮小數(shù)百種激酶的范圍，使其成為可能參與磷酸化的候選蛋白。Yaffe說(shuō):“使用這種方法得出的預(yù)測(cè)仍然需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但這是在做出可以測(cè)試的明確預(yù)測(cè)方面邁出的一大步。”
其次，該圖譜使磷蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)更有用和可操作。過(guò)去，研究人員可能會(huì)從組織樣本中收集磷蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，但很難知道這些數(shù)據(jù)在說(shuō)什么，也很難知道如何最好地利用這些數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)下一步的研究?，F(xiàn)在，這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)預(yù)測(cè)哪些激酶被上調(diào)或下調(diào)，從而預(yù)測(cè)哪些細(xì)胞信號(hào)通路是活躍的或不活躍的。
Yaffe說(shuō):“我們現(xiàn)在有了一種新的工具來(lái)解釋這些大型數(shù)據(jù)集，這是磷蛋白質(zhì)組學(xué)的羅塞塔石碑。這將特別有助于將這類疾病數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的項(xiàng)目。”
在癌癥的背景下，來(lái)自患者腫瘤活檢的磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)可以用來(lái)幫助醫(yī)生快速識(shí)別哪些激酶和細(xì)胞信號(hào)通路參與了癌癥的擴(kuò)張或耐藥性，然后利用這些知識(shí)來(lái)針對(duì)這些途徑進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃幬镏委熁蚵?lián)合治療。
Yaffe的實(shí)驗(yàn)室和他們?cè)诿绹?guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的同事們現(xiàn)在正在利用圖譜尋找對(duì)疑難癌癥的新見解，包括闌尾癌和神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤。雖然許多癌癥已被證明具有很強(qiáng)的遺傳成分，例如乳腺癌中的BRCA1和BRCA2基因，但其他癌癥與任何已知的遺傳原因無(wú)關(guān)。他說(shuō):“我們正在使用這個(gè)圖譜來(lái)調(diào)查這些似乎沒有明確基因驅(qū)動(dòng)的腫瘤，看看我們是否能識(shí)別出驅(qū)動(dòng)癌癥進(jìn)展的激酶。”
生物的見解
除了完成人類激酶圖譜外，該團(tuán)隊(duì)在最近的研究中還發(fā)現(xiàn)了兩項(xiàng)生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。首先，他們確定了酪氨酸激酶的三種主要磷酸化基序或條形碼。第一類是映射到多個(gè)激酶的基序，這表明許多信號(hào)通路會(huì)聚在一起磷酸化具有該基序的蛋白質(zhì)。第二類是基序和激酶之間一對(duì)一匹配的基序，其中只有特定的激酶才能激活具有該基序的蛋白質(zhì)。這是一個(gè)部分的驚喜，因?yàn)槔野彼峒っ副徽J(rèn)為是最小的特異性領(lǐng)域的一些人。
最后一類包括與78種經(jīng)典酪氨酸激酶中的一種沒有明確匹配的基序。這類基序包括與15種非典型酪氨酸激酶相匹配的基序，這些激酶已知也能磷酸化絲氨酸或蘇氨酸殘基。Yaffe說(shuō):“這意味著有一部分我們沒有認(rèn)識(shí)到的激酶實(shí)際上起著重要的作用。”它還表明，除了單獨(dú)的基序外，可能還有其他機(jī)制影響激酶如何與蛋白質(zhì)相互作用。
研究小組還發(fā)現(xiàn)，盡管人類和秀麗隱桿線蟲之間存在6億多年的進(jìn)化差異，但人類和線蟲之間的酪氨酸激酶基元是緊密保守的。換句話說(shuō)，線蟲激酶和它的人類同源物磷酸化的本質(zhì)上是相同的基序。這一序列的保存表明酪氨酸激酶對(duì)所有多細(xì)胞生物的信號(hào)通路至關(guān)重要，任何微小的變化都可能對(duì)生物體有害。
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