氨基酸是組成蛋白質的基本單位，其突變可以通過多種方式影響蛋白質功能，進而影響細胞生存和多種疾病的發生發展。此前研究已證明，使用堿基編輯器進行内源性氨基酸替換，并結合細胞篩選來大規模研究其功能的可行性。磷酸化是細胞中常見且重要的翻譯後修飾，絕大多數發生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸位點上。目前已報道的大規模鑒定這三種氨基酸功能的研究主要依賴于生物信息學預測或僅聚焦于已被檢測到可發生磷酸化的位點。考慮到蛋白組中依然存在大量潛在的磷酸化位點，且這三種氨基酸也介導了其它多種重要功能，實現在全蛋白組水平對這三種氨基酸位點的大規模功能鑒定具有重要意義。

2024年9月23日，北京大學魏文勝團隊在Nature Chemical Biology在線發表題為“Functional profiling of serine, threonine and tyrosine sites”的研究論文。研究基于實驗室此前開發的賴氨酸功能位點篩選策略，利用腺嘌呤堿基編輯器對全基因組範圍内的絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸位點進行靶向編輯，并在人類視網膜色素上皮細胞系（RPE1）中進行了細胞篩選，成功鑒定出3,467個功能性氨基酸位點。這些位點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位于敲除不影響細胞生長的基因上，展示了從單個氨基酸層面繪制蛋白組功能圖譜的重要性（圖1）。

圖1 蛋白質組功能性絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸篩選示意圖

接着，研究者對篩選出的功能性位點進行深入分析，特别關注磷酸化修飾。結果顯示，677個篩選到的位點可能通過磷酸化修飾影響細胞生長，其中絕大多數為之前未知的功能性磷酸化位點（圖2）。進一步研究表明，一些位點突變通過調節磷酸化水平導緻信号通路異常，如MAPK信号通路中的MAPKAPK2 T338A突變以及MAP2K1 Y130H和S194P突變，影響了細胞的生長。

圖2 篩選鑒定出大量功能性磷酸化位點

此外，研究者還分析了突變在蛋白質結構中的分布，發現絲氨酸到脯氨酸的替換廣泛影響不同類型的蛋白質結構域功能，尤其是WD重複結構域中的兩個高度保守的絲氨酸，暗示這些位點在維持蛋白質結構方面具有關鍵作用。

最後，研究發現，篩選出的促進細胞生長的突變與臨床癌症患者的基因數據存在高度關聯性（圖3）。由于RPE1細胞系是永生化的正常細胞系，得到的309個可促進細胞生長的突變均可能為潛在的癌症驅動突變。據此猜想，研究者選擇了MAP4K4-Y210C進行了體外克隆形成和小鼠體内成瘤實驗，結果均證實了MAP4K4-Y210作為癌症驅動突變的潛力。

圖3 與癌症臨床數據相關的正向富集氨基酸位點

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的功能圖譜，揭示了這些位點與磷酸化修飾、蛋白質結構維持及癌症相關突變的密切聯系，為生物學機制研究和臨床應用提供了重要指導（圖4）。

圖4 研究總結示意圖

本研究由北京大學/昌平實驗室魏文勝團隊完成，博士後李依舟、已出站的博士後徐濤及已畢業的馬華峥博士為共同第一作者。研究獲得了國家自然科學基金、昌平實驗室和北大-清華生命科學聯合中心的支持。

文章鍊接：https://www.nature.com/articles/s41589-024-01731-0

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