麻省理工学院最新研究：酶“地图集”帮助研究人员破译细胞通路

人类酶最重要的类别之一是蛋白激酶-调节几乎所有细胞活动（包括生长，细胞分裂和代谢）的信号分子。这些细胞途径中的功能障碍可导致多种疾病，特别是癌症。

鉴定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标，但是对于绝大多数这些激酶，科学家们并不清楚它们参与哪些细胞途径，或者它们的底物是什么。

麻省理工学院精确癌症医学中心主任，麻省理工学院科学教授Michael Yaffe说：“我们有大量的癌症基因组测序数据，但我们缺少的是癌症信号通路和蛋白激酶激活状态的大规模研究，如果我们有了这些信息，我们将会更好地了解如何治疗特定的肿瘤，麻省理工学院科赫综合癌症研究所成员，也是新研究的资深作者之一。

Yaffe和其他研究人员现在已经创建了人类细胞中发现的300多种蛋白激酶的综合图谱，并确定了它们可能靶向和控制哪些蛋白。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用特定药物治疗时这些通路会发生什么。

哈佛医学院和Dana-Farber癌症研究所的细胞生物学教授Lewis Cantley以及耶鲁大学医学院药理学副教授Benjamin Turk也是该论文的高级作者，该论文今天出现在Nature上。该论文的主要作者是威尔康奈尔医学院药理学讲师Jared Johnson和威尔康奈尔医学院研究生Tomer Yaron。

“罗塞塔石”

人类基因组包含500多种蛋白激酶，这些蛋白激酶通过用称为磷酸基团的化学修饰标记其他蛋白来激活或失活。对于大多数这些激酶，它们靶向的蛋白质是未知的，尽管对参与控制生长的细胞途径的激酶如MEK和RAF的研究已经导致抑制这些激酶的新的癌症药物。

为了确定在癌细胞中失调的其他途径，研究人员依靠磷酸化蛋白质组学使用质谱-一种根据其质量和电荷分离分子的技术-来发现在癌细胞或健康细胞中更高度磷酸化的蛋白质。然而，到目前为止，还没有简单的方法来询问质谱数据以确定哪些蛋白激酶负责磷酸化这些蛋白质。因此，尚不清楚这些蛋白质如何在疾病中受到调控或失调。

“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Rosetta石头，你可以用来观察这些肽，并且说，这是数据告诉我们的途径，”亚菲说。“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实验室的博士后，Yaffe开始研究蛋白激酶在信号通路中的作用。土耳其人不久后加入了实验室，这三个人在自己的研究小组中研究了这些酶几十年。

“这是25年前Ben和我在Lew实验室开始的合作，现在它们终于真正聚集在一起，很大程度上是由主要作者Jared和Tomer所做的，”Yaffe说。

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，它们构成人体中约85%的蛋白激酶-基于它们将磷酸基团置于何种结构基序上。

研究人员利用Cantley和Turk先前创建的肽库来搜索激酶相互作用的基序，研究人员测量了这些肽如何与所有303种已知的丝氨酸和苏氨酸激酶相互作用。使用计算模型分析他们观察到的相互作用，研究人员能够鉴定能够磷酸化人类细胞中报道的90000个已知磷酸化位点中的每一个的激酶，用于这两类激酶。

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为在其底物上结合并磷酸化相同的基序。他们还表明，他们研究的激酶中约有一半针对三大类基序之一，而其余一半则针对大约十几个较小类中的一个。

解码网络

Yaffe说，这种新的激酶图谱可以帮助研究人员确定正常细胞和癌细胞之间，或治疗和未治疗癌细胞之间不同的信号通路。

他说：“这个激酶图案图集现在让我们解码信号网络。“我们可以查看所有这些磷酸化肽，并且可以将它们映射回特定的激酶。”

为了证明这种方法，研究人员分析了用抗癌药物治疗的细胞，该药物抑制称为Plk1的激酶，Plk1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如预期的那样受Plk1控制。令他们惊讶的是，他们还发现这种治疗增加了参与细胞对DNA损伤反应的两种激酶的活性。

Yaffe的实验室现在有兴趣使用该图谱试图找到驱动癌症发展的其他功能失调的信号通路，特别是在未发现遗传驱动因子的某些类型的癌症中。

他说：

“我们现在可以使用磷酸化蛋白质组学来说，也许在该患者的肿瘤中，这些途径被上调或这些途径被下调。”。“在不清楚驱动癌症的遗传学是什么的情况下，很可能确定驱动癌症的信号通路。”

该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，脑肿瘤慈善机构，Charles和Marjorie Holloway基金会，麻省理工学院精确癌症医学中心和科赫研究所支持（core）资助。国家癌症研究所的资助。