ヒトセリン/スレオニンキノームの基質特異性のアトラス

Nature volume 613、pages 759–766 (2023)この記事を引用

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タンパク質のリン酸化は、生物学において最も広く普及している翻訳後修飾の 1 つです 1,2。 質量分析に基づくリン酸化プロテオミクスの進歩により、これまでに 90,000 のセリンおよびスレオニンのリン酸化部位が特定され、数千の部位がヒトの病気や生物学的プロセスに関連している 3,4。 リン酸化イベントの大部分については、ヒトゲノムにコードされている 300 以上のタンパク質セリン/スレオニン (Ser/Thr) キナーゼのどれが関与しているのかはまだわかっていません。 今回我々は、合成ペプチドライブラリーを使用して、ヒトで活性があると予測されるキナーゼの84%以上を構成する303 Ser/Thrキナーゼの基質配列特異性をプロファイリングした。 全体的に見ると、キノームの基質特異性は予想よりも大幅に多様であり、負の選択性によって広範囲に駆動されていました。 私たちは、キノーム全体のデータセットを使用して、ヒト Ser/Thr リン酸化プロテオームで報告されているすべてのリン酸化部位をリン酸化できるキナーゼをコンピューターでアノテーションし、同定しました。 関与していると推定されるプロテインキナーゼが以前に報告されている少数のリン酸化サイトについては、我々の予測は見事に一致しました。 このアプローチを適用して、ホルモン、成長因子、標的阻害剤、環境または遺伝的摂動に対する組織や細胞株のシグナル伝達応答を調べると、経路の複雑さと代償に関する予期せぬ洞察が明らかになりました。 全体として、これらの研究はヒト Ser/Thr キノームの固有の基質特異性を明らかにし、細胞シグナル伝達応答を明らかにし、リン酸化事象を生物学的経路に結び付けるためのリソースを提供します。

セリン、スレオニン、チロシン、ヒスチジン残基におけるタンパク質のリン酸化は、真核生物の細胞機能のほぼすべての側面を制御します1、2、5、6。 プロテインキナーゼシグナル伝達の誤制御は、一般にヒトの病気を引き起こします7。 プロテインキナーゼの細胞での役割を解読するには、その下流のエフェクター基質の解明が必要です。 しかし、これまでに発表されているキナーゼと基質の関係の大部分には、よく研究された比較的少数のプロテインキナーゼが含まれている一方、約 300 種類のヒトプロテイン Ser/Thr キナーゼの大部分については、基質が同定されているとしてもほとんどありません。人間のキノーム内8、9、10。 このキナーゼと基質の関係に関する知識の欠如により、これまでにヒトタンパク質上の 200,000 以上の Ser および Thr リン酸化部位が報告されている大規模な質量分析 (MS) ベースのリン酸化プロテオミクス データセットの解釈が制限されています 3、4、11、12、13。 これらのリン酸化イベントに関与する特定のキナーゼは、これらの部位の 4% 未満で報告されており 3、細胞のリン酸化ネットワークの理解が大幅に制限されています。

よく研究されている Ser/Thr キナーゼは、リン酸化部位の周囲の複数の位置で特定のアミノ酸残基を認識することが一般に知られています 14、15、16、17。 この短い直線モチーフは、特定のプロテインキナーゼの特徴であり、特定の Ser または Thr 残基でのリン酸化を制御するシグナル伝達経路の忠実性を保証します。 キナーゼ認識モチーフに関する知識があれば、たとえば、リン酸化プロテオミクス データをスキャンして一致する配列を見つけることによって、新しい基質の発見が容易になります。 しかし、今日まで、リン酸化部位配列モチーフは、ヒトタンパク質 Ser/Thr キノームのサブセットについてのみ知られています。 我々は以前、ペプチド基質のリン酸化に基づいて個々のキナーゼの特異性を迅速に決定できるコンビナトリアルペプチドライブラリースクリーニング法について説明しました18、19。 今回我々は、これらの方法を適用して、ヒト Ser/Thr キノームの大部分に対する最適な基質特異性を実験的に決定し、モチーフに基づいてキナーゼ間の関係を特徴付け、これらのデータを計算的に使用して、タンパク質キナーゼと考えられるプロテインキナーゼを同定します。 MS またはその他の技術を使用して特定された部位をリン酸化します。 最後に、この情報を応用して、遺伝的、薬理学的、代謝的、環境的摂動後の細胞や組織のシグナル伝達経路の複雑な変化を捉える方法を示します。