一個新的完整的人類蛋白激酶及其首選結合位點數據庫為研究細胞信號通路提供了一個強大的新平臺。

經過25年的研究，麻省理工學院、哈佛大學和耶魯大學的科學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節多種細胞活動的酶，以及它們的結合位點。

將酪氨酸激酶添加到先前發表的同一組數據集中，現在完成了所有人類激酶及其在蛋白質上的特定結合位點的免費，公開可用的圖譜，這些激酶一起協調基本的細胞過程，如生長，細胞分裂和代謝。

現在，研究人員可以使用質譜法(一種常見的實驗室技術)的數據來識別人體組織中正常和失調的細胞信號所涉及的激酶，比如在炎癥或癌癥進展期間。

“我最興奮的是能夠將其應用于個體患者的腫瘤，并了解癌癥的信號狀態和信號的異質性，”Michael Yaffe說，他是麻省理工學院的大衛·h·科赫科學教授，麻省理工學院精密癌癥醫學中心主任，麻省理工學院科赫綜合癌癥研究所的成員，也是這項新研究的高級作者。“這可能會揭示新的藥物靶點或新的聯合療法。”

這項研究發表在《Nature》雜志上。

激酶王國

人類細胞是由多種蛋白激酶組成的網絡控制的，這些蛋白激酶通過添加或移除被稱為磷酸基團的化合物來改變其他蛋白質的特性。磷酸基團雖小但很強大:當它們附著在蛋白質上時，它們可以打開或關閉蛋白質，甚至顯著改變蛋白質的功能。在近400種人類激酶中，確定哪一種能在蛋白質上的特定位點磷酸化特定蛋白質，傳統上是一個漫長而費力的過程。

從20世紀90年代中期開始，坎特利實驗室開發了一種方法，使用小肽庫來識別最佳氨基酸序列-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。在接下來的幾年里，Yaffe、Turk和Johnson都在坎特利實驗室做博士后，他們在這項技術上取得了開創性的進步，提高了其吞吐量、準確性和實用性。

Johnson領導了大量的實驗工作，將一批激酶暴露在這些肽庫中，觀察哪些激酶磷酸化了哪些肽亞群。在《Nature》雜志于2023年1月發表的一篇相應的論文中，該團隊將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，他們通過成功地將93種酪氨酸激酶映射到相應的基序，完成了人類“kinome”。

接下來，通過創建和使用先進的計算工具，Yaron-Barir、Krismer、Joughin、Takegami和Yaffe測試了這些結果是否可以預測真實的蛋白質，以及這些結果是否可以揭示正常細胞和癌細胞中未知的信號事件。通過質譜分析磷酸化蛋白質組學數據揭示細胞磷酸化模式，他們的圖譜準確預測了酪氨酸激酶活性在先前研究的細胞信號通路中。

例如，利用最近發表的用兩種靶向藥物治療的人肺癌細胞的磷酸化蛋白質組學數據，圖譜發現用厄洛替尼(一種已知的EGFR蛋白抑制劑)治療會下調與EGFR基序匹配的位點。使用阿法替尼(一種已知的HER2抑制劑)治療可下調與HER2基序匹配的位點。出乎意料的是，阿法替尼治療還上調了酪氨酸激酶MET的基元，這一發現有助于解釋將MET活性與阿法替尼耐藥性聯系起來的患者數據。

可操作的結果

研究人員可以通過兩種主要方式使用新的地圖集。首先，對于一種正在被磷酸化的蛋白質，圖譜可以用來縮小數百種激酶的范圍，使其成為可能參與磷酸化的候選蛋白。Yaffe說:“使用這種方法得出的預測仍然需要實驗驗證，但這是在做出可以測試的明確預測方面邁出的一大步。”

其次，該圖譜使磷蛋白質組學數據更有用和可操作。過去，研究人員可能會從組織樣本中收集磷蛋白質組學數據，但很難知道這些數據在說什么，也很難知道如何最好地利用這些數據來指導下一步的研究?，F在，這些數據可以用來預測哪些激酶被上調或下調，從而預測哪些細胞信號通路是活躍的或不活躍的。

Yaffe說:“我們現在有了一種新的工具來解釋這些大型數據集，這是磷蛋白質組學的羅塞塔石碑。這將特別有助于將這類疾病數據轉化為可操作的項目。”

在癌癥的背景下，來自患者腫瘤活檢的磷酸化蛋白質組學數據可以用來幫助醫生快速識別哪些激酶和細胞信號通路參與了癌癥的擴張或耐藥性，然后利用這些知識來針對這些途徑進行適當的藥物治療或聯合治療。

Yaffe的實驗室和他們在美國國立衛生研究院的同事們現在正在利用圖譜尋找對疑難癌癥的新見解，包括闌尾癌和神經內分泌腫瘤。雖然許多癌癥已被證明具有很強的遺傳成分，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關。他說:“我們正在使用這個圖譜來調查這些似乎沒有明確基因驅動的腫瘤，看看我們是否能識別出驅動癌癥進展的激酶。”

生物的見解

除了完成人類激酶圖譜外，該團隊在最近的研究中還發現了兩項生物學發現。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激酶的基序，這表明許多信號通路會聚在一起磷酸化具有該基序的蛋白質。第二類是基序和激酶之間一對一匹配的基序，其中只有特定的激酶才能激活具有該基序的蛋白質。這是一個部分的驚喜，因為酪氨酸激酶被認為是最小的特異性領域的一些人。

最后一類包括與78種經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:“這意味著有一部分我們沒有認識到的激酶實際上起著重要的作用。”它還表明，除了單獨的基序外，可能還有其他機制影響激酶如何與蛋白質相互作用。

研究小組還發現，盡管人類和秀麗隱桿線蟲之間存在6億多年的進化差異，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，線蟲激酶和它的人類同源物磷酸化的本質上是相同的基序。這一序列的保存表明酪氨酸激酶對所有多細胞生物的信號通路至關重要，任何微小的變化都可能對生物體有害。