Un atlante delle specificità del substrato per il kinome serina/treonina umana

Natura volume 613, pagine 759–766 (2023) Citare questo articolo

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La fosforilazione delle proteine ​​è una delle modificazioni post-traduzionali più diffuse in biologia1,2. Con i progressi nella fosfoproteomica basata sulla spettrometria di massa, finora sono stati identificati 90.000 siti di fosforilazione di serina e treonina e diverse migliaia sono state associate a malattie umane e processi biologici3,4. Per la stragrande maggioranza degli eventi di fosforilazione, non è ancora noto quale delle oltre 300 proteine ​​serina/treonina chinasi (Ser/Thr) codificate nel genoma umano sia responsabile3. Qui abbiamo utilizzato librerie di peptidi sintetici per profilare la specificità della sequenza del substrato di 303 chinasi Ser/Thr, che comprendono oltre l'84% di quelle previste attive negli esseri umani. Considerata nella sua interezza, la specificità del substrato del kinome era sostanzialmente più diversificata del previsto ed era ampiamente determinata dalla selettività negativa. Abbiamo utilizzato il nostro set di dati sull'intero kinome per annotare e identificare computazionalmente le chinasi in grado di fosforilare ogni sito di fosforilazione riportato nel fosfoproteoma Ser/Thr umano. Per la piccola minoranza di fosfositi per i quali sono state precedentemente riportate le presunte proteine ​​chinasi coinvolte, le nostre previsioni erano in ottimo accordo. Quando questo approccio è stato applicato per esaminare la risposta di segnalazione dei tessuti e delle linee cellulari agli ormoni, ai fattori di crescita, agli inibitori mirati e alle perturbazioni ambientali o genetiche, ha rivelato intuizioni inaspettate sulla complessità e sulla compensazione del percorso. Nel complesso, questi studi rivelano la specificità intrinseca del substrato del kinome Ser/Thr umano, illuminano le risposte di segnalazione cellulare e forniscono una risorsa per collegare gli eventi di fosforilazione ai percorsi biologici.

La fosforilazione delle proteine ​​nei residui di serina, treonina, tirosina e istidina controlla quasi ogni aspetto della funzione cellulare eucariotica1,2,5,6. L'errata regolazione della segnalazione della proteina chinasi provoca comunemente malattie umane7. Decifrare i ruoli cellulari di qualsiasi proteina chinasi richiede la delucidazione dei suoi substrati effettori a valle. Tuttavia, la maggior parte delle relazioni chinasi-substrato che sono state pubblicate fino ad oggi coinvolgono un numero relativamente piccolo di proteine ​​chinasi ben studiate, mentre pochi, se non nessuno, substrati sono stati identificati per la maggior parte delle circa 300 chinasi Ser/Thr delle proteine ​​umane. all'interno del kinome umano8,9,10. Questa mancanza di conoscenza delle relazioni chinasi-substrato limita l'interpretazione di grandi set di dati fosfoproteomici basati sulla spettrometria di massa (MS), che fino ad oggi hanno riportato collettivamente oltre 200.000 siti di fosforilazione di Ser e Thr su proteine ​​umane3,4,11,12,13. Le chinasi specifiche responsabili di questi eventi di fosforilazione sono state segnalate per meno del 4% di questi siti3, limitando sostanzialmente la comprensione delle reti di fosforilazione cellulare.

È generalmente noto che le chinasi Ser/Thr ben studiate riconoscono specifici residui di amminoacidi in molteplici posizioni che circondano il sito di fosforilazione14,15,16,17. Questo breve motivo lineare, caratteristico di una determinata proteina chinasi, garantisce fedeltà nelle vie di segnalazione che regolano la fosforilazione in un dato residuo Ser o Thr. La conoscenza dei motivi di riconoscimento della chinasi può facilitare la scoperta di nuovi substrati, ad esempio, scansionando i dati della fosfoproteomica per individuare sequenze corrispondenti. Tuttavia, ad oggi, i motivi della sequenza del sito di fosforilazione sono noti solo per un sottoinsieme del kinoma Ser/Thr della proteina umana. Abbiamo precedentemente descritto metodi di screening combinatorio delle librerie di peptidi che consentono la rapida determinazione della specificità per le singole chinasi basate sulla fosforilazione dei substrati peptidici18,19. Qui applichiamo questi metodi per determinare sperimentalmente la specificità ottimale del substrato per la grande maggioranza del kinome Ser/Thr umano, caratterizziamo la relazione tra chinasi sulla base dei loro motivi e utilizziamo computazionalmente questi dati per identificare le proteine ​​chinasi che probabilmente fosforilare qualsiasi sito identificato mediante MS o altre tecniche. Infine, mostriamo come queste informazioni possano essere applicate per catturare cambiamenti complessi nelle vie di segnalazione nelle cellule e nei tessuti dopo perturbazioni genetiche, farmacologiche, metaboliche e ambientali.