氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位，其突變可以通過(guò)多種方式影響蛋白質(zhì)功能，進(jìn)而影響細(xì)胞生存和多種疾病的發(fā)生發(fā)展。此前研究已證明，使用堿基編輯器進(jìn)行內(nèi)源性氨基酸替換，并結(jié)合細(xì)胞篩選來(lái)大規(guī)模研究其功能的可行性^1–3。磷酸化是細(xì)胞中常見(jiàn)且重要的翻譯后修飾，絕大多數(shù)發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸位點(diǎn)上。目前已報(bào)道的大規(guī)模鑒定這三種氨基酸功能的研究主要依賴于生物信息學(xué)預(yù)測(cè)⁴或僅聚焦于已被檢測(cè)到可發(fā)生磷酸化的位點(diǎn)⁵。考慮到蛋白組中依然存在大量潛在的磷酸化位點(diǎn)，且這三種氨基酸也介導(dǎo)了其它多種重要功能，實(shí)現(xiàn)在全蛋白組水平對(duì)這三種氨基酸位點(diǎn)的大規(guī)模功能鑒定具有重要意義。

2024年9月23日，北京大學(xué)魏文勝團(tuán)隊(duì)在Nature Chemical Biology在線發(fā)表題為“Functional profiling of serine, threonine and tyrosine sites”的研究論文。研究基于實(shí)驗(yàn)室此前開(kāi)發(fā)的賴氨酸功能位點(diǎn)篩選策略³，利用腺嘌呤堿基編輯器對(duì)全基因組范圍內(nèi)的絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸位點(diǎn)進(jìn)行靶向編輯，并在人類視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞系（RPE1）中進(jìn)行了細(xì)胞篩選，成功鑒定出3467個(gè)功能性氨基酸位點(diǎn)。這些位點(diǎn)的突變展示了與基因敲除類似或不同的表型，尤其是大量功能性位點(diǎn)位于敲除不影響細(xì)胞生長(zhǎng)的基因上，展示了從單個(gè)氨基酸層面繪制蛋白組功能圖譜的重要性（圖1）。

圖1 蛋白質(zhì)組功能性絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸篩選示意圖

研究者對(duì)篩選出的功能性位點(diǎn)進(jìn)行深入分析，特別關(guān)注磷酸化修飾。結(jié)果顯示，677個(gè)篩選到的位點(diǎn)可能通過(guò)磷酸化修飾影響細(xì)胞生長(zhǎng)，其中絕大多數(shù)為之前未知的功能性磷酸化位點(diǎn)（圖2）。進(jìn)一步研究表明，一些位點(diǎn)突變通過(guò)調(diào)節(jié)磷酸化水平導(dǎo)致信號(hào)通路異常，如MAPK信號(hào)通路中的MAPKAPK2 T338A突變以及MAP2K1 Y130H和S194P突變，影響了細(xì)胞的生長(zhǎng)。

圖2 篩選鑒定出大量功能性磷酸化位點(diǎn)

研究者還分析了突變?cè)诘鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)中的分布，發(fā)現(xiàn)絲氨酸到脯氨酸的替換廣泛影響不同類型的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域功能，尤其是WD重復(fù)結(jié)構(gòu)域中的兩個(gè)高度保守的絲氨酸，暗示這些位點(diǎn)在維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面具有關(guān)鍵作用。

研究發(fā)現(xiàn)，篩選出的促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的突變與臨床癌癥患者的基因數(shù)據(jù)存在高度關(guān)聯(lián)性（圖3）。由于RPE1細(xì)胞系是永生化的正常細(xì)胞系，得到的309個(gè)可促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的突變均可能為潛在的癌癥驅(qū)動(dòng)突變。據(jù)此猜想，研究者選擇了MAP4K4-Y210C進(jìn)行了體外克隆形成和小鼠體內(nèi)成瘤實(shí)驗(yàn)，結(jié)果均證實(shí)了MAP4K4-Y210作為癌癥驅(qū)動(dòng)突變的潛力。

圖3 與癌癥臨床數(shù)據(jù)相關(guān)的正向富集氨基酸位點(diǎn)

總體而言，該研究繪制了人類蛋白組中絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸位點(diǎn)的功能圖譜，揭示了這些位點(diǎn)與磷酸化修飾、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)維持及癌癥相關(guān)突變的密切聯(lián)系，為生物學(xué)機(jī)制研究和臨床應(yīng)用提供了重要指導(dǎo)（圖4）。

圖4 研究總結(jié)示意圖

本研究由魏文勝團(tuán)隊(duì)完成，博士后李依舟、已出站的博士后徐濤及已畢業(yè)的博士馬華崢為共同第一作者。研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、昌平實(shí)驗(yàn)室和北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。

參考文獻(xiàn)：

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2. Hanna, R. E. Massively parallel assessment of human variants with base editor screens.

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4. Ochoa, D. ?et al. The functional landscape of the human phosphoproteome. ?Nat. Biotechnol. 38, 365—373 (2020).

5. Kennedy, P. H. ?et al. Post-translational modification-centric base editor screens to assess phosphorylation site functionality in high throughput. ?Nat. Methods 21, 1033—1043 (2024).

來(lái)源：北京大學(xué)