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        蛋白質組學

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        「青蓮聚焦」SARS-CoV-2侵染的磷酸化蛋白質組全景圖

        2022-02-14 00:00:00



        在不同類型的 PTMs 中,磷酸化是一個主要的翻譯后細胞信號傳遞機制。通過激酶與磷酸酶嚴格的共同作用,磷酸化對無數生物學過程的控制起著核心作用。在復雜的真核系統中,蛋白質磷酸化發生于絲氨酸(Ser)、蘇氨酸(Thr)和酪氨酸(Tyr)殘基上,是普遍的 PTM。


        磷酸化蛋白的鑒定與蛋白磷酸化動態的了解,包括某個氨基酸殘基在響應細胞與環境因 子時發生磷酸化或去磷酸化,均有助于在整體水平上研究生物網絡的調控。由此出現的這一系統生物學新領域被稱為磷酸化蛋白質學。而對生物系統中全部磷酸化蛋白質的綜合分析,包括所有磷酸化蛋白質的鑒定、磷酸化位點的定位及差異表達磷酸化蛋白質的定量,被稱為磷酸化蛋白質組學。目前,磷酸化蛋白質組學已取得較大進展。


        磷酸化蛋白質組學歷年發文數量




        2019 年冠狀病毒 (COVID-19) 流行的病原體SARS-CoV-2 已在全球范圍內感染數百萬人并導致數十萬人死亡,這凸顯了開發有效的 SARS-CoV-2 治療劑,尤其是那些可以在門診環境中使用的藥物,以有效對抗 COVID-19 大流行的迫切需要。作者SARSCoV-2感染的Vero E6細胞進行磷酸化蛋白質組學分析,揭示了被病毒感染劫持的宿主細胞途徑,從而確定了靶向失調途徑并引發有效抗病毒功效的小分子。通過分析宿主和病毒蛋白上磷酸化的變化,量化SARS-CoV-2感染后VeroE6細胞的生命活動進程,從而揭示了COVID-19的發病機制,并確定了具有SARS-CoV-2治療潛力的藥物。磷酸化蛋白質組學用于SARS-CoV-2感染機制研究,有利于開發有效的治療劑。



        這篇在Cell 主刊刊登題為“The Global Phosphorylation Landscape of SARS-CoV-2 Infection”的文章是加州大學舊金山分校等多家機構合作的研究成果,系統解析了新冠病毒侵染細胞后導致的系統性磷酸化修飾改變,并發現了新的針對異常磷酸化通路的潛在候選藥物。







        實驗結果

        病毒無法自行復制,靠宿主來攜帶、復制并擴散到新的宿主。在這個過程中,病毒需要操縱宿主細胞內的蛋白質機器,來生產新的病毒顆粒。作者為了確定 SARS-CoV-2 是如何劫持宿主蛋白信號傳導,在 Vero E6 細胞中進行了磷酸化蛋白質組學實驗研究。選擇了侵染的6個時間點,分別是0h、2h、4h、8h、12h24h,鑒定到4,624個磷酸化修飾位點和3,036個蛋白質。結果顯示,相比于蛋白質的豐度,蛋白質的磷酸化修飾水平在不同時間點之間呈現更為顯著的改變,這體現了磷酸化修飾在迅速侵染過程中有更為重要的作用。




        宿主細胞內的病毒蛋白磷酸化可能在感知和響應細胞狀態方面發揮作用。因此進一步測量病毒蛋白的變化。在 SARS-CoV-2 病毒蛋白中檢測到 25 個磷酸化位點,在 種病毒蛋白中總共檢測到 49 個位點。這些位點被映射到五種蛋白質的結構化區域內的位置,包括酪蛋白激酶 II (CK2)、細胞周期蛋白依賴性激酶 (CDK) 和蛋白激酶 C (PKC),表明這些激酶有助于調節病毒復制,推測這些激酶可能在病毒侵染中扮演了幫兇的角色。

        病毒宿主蛋白質蛋白質相互作用可以通過影響宿主蛋白質亞細胞定位或通過空間阻斷激酶通路來驅動磷酸化的變化。通過對感染期間 SARS-CoV-2 宿主相互作用蛋白的磷酸化研究發現與病毒相互作用的細胞蛋白質中,有百分之12的蛋白質發生了磷酸化的改變。同時為了研究激酶信號的全局變化及其對宿主蛋白磷酸化的影響,使用數據驅動的聚類方法,根據它們的動態將受調控的磷酸化位點分為五個組。對于每個組的功能和途徑進行了富集分析。其中,酪蛋白激酶IICK2)和p38MAPK信號通路的活化有可能調節這些修飾過程。SARS-CoV-2的感染促進了酪蛋白激酶II(CK2)p38MAPK的激活,同時產生多種細胞因子,關閉有絲分裂激酶,導致細胞周期停滯。通過對感染 SARS-CoV-2 的 Caco-2 細胞進行絲狀肌動蛋白和 SARS-CoV-2 M 蛋白成像,發現感染也刺激了含有CK2的絲狀突起的顯著誘導。  




        這表明新冠病毒不僅影響了細胞分裂,還會讓受感染的細胞改變形狀,長出了細長、分叉的絲狀偽足,它們就像細胞伸出的許多條手臂,幫助病毒到鄰近的細胞。研究人員猜測, 細胞的結構變化有助于病毒感染更多細胞。作者為了確定 SARS-CoV-2 感染的有效療法,通過將總體磷酸化譜圖映射到被SARS-CoV-2感染改變的激酶和通路,根據激酶活性的分析結果,研究人員們鑒定出了有抗病毒潛力的87種藥物和化合物,并發現CK2、p38MAPK、PIKFYVE以及CDKs家族的克制劑有效的抗新冠病毒作用,為未來的治療提供了新的思路和依據。




        總結:
        作者通過對 SARS CoV-2 感染的 Vero E6 細胞的磷酸化蛋白質組學進行分析,揭示了被病毒感染的宿主細胞通路,從而識別出引發有效抗病毒功效的小分子,該研究系統解析了新冠病毒侵染細胞后導致的磷酸化修飾改變,并發現了新的針對異常磷酸化通路的潛在候選藥物。

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