蛋白質磷酸化是生物學中最廣泛的翻譯后修飾之一，其中絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸和組氨酸殘基上的蛋白質磷酸化幾乎控制著真核細胞各個功能，迄今，基于質譜的磷酸化蛋白質組學技術已幫助人們鑒定出90000個絲氨酸(Ser)和蘇氨酸(Thr)磷酸化位點，其中數千個與人類疾病和生物過程有關。解讀這些蛋白激酶信號的必須手段就是闡明其下游的效應底物，然而到目前，對于絕大多數的磷酸化事件，人們都不知道這300多種的Ser/Thr激酶參與了哪些信號轉導通路?它們的底物究竟是誰?這大大限制了人們對細胞磷酸化網絡的理解，也限制了藥物靶點的開發。
眾所周知，激酶識別基序可以促進人們對新底物的發現，早年Lewis C Cantley和Benjamin E Turk發表的組合肽庫篩選方法能夠基于肽底物的磷酸化快速確定單個激酶的特異性。
近日，來自美國威爾康奈爾醫學院的Lewis C Cantley、麻省理工學院Michael B. Yaffe、和耶魯大學Benjamin E Turk研究小組再度合作，在Nature雜志上發表題為An atlas of substrate specificities for the human serine/threonine kinome的研究論文，這篇文章在前期方法的基礎上確定Ser/Thr激酶的最佳特異性底物，基于基序表征激酶之間的關系，構建了人細胞中300多種蛋白激酶的綜合圖譜。并使用全基因組數據集來計算注釋和鑒定能夠磷酸化人Ser/Thr磷酸化蛋白質組中每個報道的磷酸化位點的激酶，結果顯示作者所預測的和報道的非常吻合。這項研究揭示了人Ser/Thr激酶組的內在底物特異性，為細胞信號轉導過程中的磷酸化事件及生物學過程的研究帶來了更多的資源。
現如今癌癥基因組測序數據浩如煙海，而這其中卻尋覓不到蛋白激酶與信號通路的相關研究，假如這些信息被人類所發現，對于疾病的治療將會帶來更多線索與契機。作者首先通過位置掃描肽陣列分析(PSPA)，確定了人Ser/Thr激酶的底物識別基序，成功獲得了303個Ser/Thr激酶的磷酸化位點基序。
作者對磷酸化蛋白質組學結果進行全基因組注釋，發現大多數情況下，磷酸化位點的線性序列背景對激酶-底物關系發揮重要的貢獻。
值得注意的是，該基序預測還成功識別了磷酸化激酶研究中的首個里程碑事件——1959年，Edwin G.Krebs和Edmond H.Fischer兩位諾獎得主發現的糖原磷酸化酶的Ser15磷酸化，以及迄今為止報道最多的ATM-p53 Ser15磷酸化互作。
由于細胞信號轉導網絡的復雜性和動態性，作者需要對磷酸化蛋白質組進行全局基序分析，作者使用PLK1抑制劑處理HeLa細胞，含有PLK1基序的底物顯著下調，另外ATM和ATR磷酸化的底物上調，與先前報道的結果高度一致，PLK1能夠抑制有絲分裂細胞中的DNA損傷信號。
另外，作者還分析了復雜干預條件所導致的信號變化事件，例如在電離輻射情況下，參與DNA損傷反應的經典激酶如ATM、ATR、DNA-PK上調，而參與細胞周期進展的經典激酶如CDK1、CDK2、CDK4、CDK6下調，與G1/S和G2/M阻滯一致。
此外，時間尺度的磷酸化變化也能夠被該方法所解析，例如胰島素刺激1 min后，MAPK通路激活，AMP激活的蛋白激酶在60分鐘內下調。
總體而言，在這篇文章中，作者使用合成肽文庫來分析了303 種Ser/Thr激酶的底物序列特異性，這種新的激酶圖譜能夠有助于研究人員識別正常和疾病狀態下不同的信號通路，通過激酶來解碼信號網絡變化，應用這些信息能夠捕獲遺傳學、藥理學、代謝和環境變化后細胞和組織中信號通路的復雜改變，即便在疾病驅動基因不明確的情況下，也有可能幫助識別出驅動疾病發生的信號通路。
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https://doi.org/10.1038/s41586-022-05575-3
