景杰重磅推荐 | Cell: 高通量磷酸化组学全新定义细胞周期调控方式
景杰编者按：近日国际顶级期刊Cell发表研究性文章指出，基于高通量磷酸化组学分析检测裂殖酵母CDK底物的磷酸化水平，发现在细胞周期中不同CDK底物的磷酸化与细胞处于何种细胞分裂阶段有着密切关联。景杰生物作为全球蛋白质与修饰领域的领跑者，可以为您提供完善的磷酸化研究的解决方案，从高灵敏度的磷酸化抗体到高通量磷酸化修饰组学，为您的研究助一臂之力。
DNA复制（S期）和染色体分离（有丝分裂期）的正确时机对于真核细胞增殖至关重要。从G1期进入S期以及G2期进入有丝分裂期受到多种细胞周期素-CDKs激酶活性的控制，而这些激酶在整个细胞周期进程中是差异表达的。普遍的观点认为，S期和有丝分裂期的时间顺序是由于不同细胞周期素-CDKs的生化性质差异导致不同的关键底物被磷酸化实现的。而这种模型难以解释的地方在于很多真核生物中一些细胞周期素-CDKs并不影响细胞周期的顺序从而在进化中被淘汰，包括鼠科细胞系中一些细胞周期素和CDKs的遗传缺失，另外，研究发现在裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)中通过遗传改造获得的细胞周期素-CDK嵌合体在有丝分裂时期能够替代4种细胞周期素-CDK复合体，而在减数分裂时期能够替代6种细胞周期素-CDK复合体。这些现象意味着不同细胞周期素-CDKs对于底物的特异性并不像之前认为的那样重要。因此研究人员提出新的假说认为，是CDK激酶活性的变化而不是底物特异性才是有序起始S期和有丝分裂的关键因素。Francis Crick研究所的研究人员运用高通量磷酸化组学检测手段，提供了直接的证据证明细胞周期素-CDK复合体如何通过改变酶活性调节底物磷酸化及下游细胞周期进程。
添加ATP类似物1-NmPP1使CDK失活，检测不同处理时间下酵母的磷酸化组变化，发现处理24 min时17%的磷酸化位点下调了2倍以上，这些位点都是CDK直接或间接作用的下游底物，而这一过程中，蛋白的量并没有发生显著改变。随后比较两种细胞周期同步进行的酵母CDK底物磷酸化组相对量变化。根据细胞周期过程中CDK底物磷酸化的变化聚类出三种不同的模式底物：早期、中期和晚期底物。细胞周期蛋白的早期底物磷酸化表明在G1期向S期转变的过程中磷酸化水平逐步上升。相对的，大部分CDK底物的位点则是在后期G2/M期首次被磷酸化。而中期底物则是在G2/M期磷酸化达到峰值。在有丝分裂结束之后这三种模式底物同时发生去磷酸化。另外，通过测定不同细胞周期阶段CDK的活性，表明某一底物磷酸化的时间与其在体内去磷酸化的速率并不相关，而是与它对体内CDK活性的灵敏度有关，支持了单一升高的CDK活性能够通过调整底物磷酸化进而影响整个细胞周期这一模型。
早前的报道认为改变CDK活性能够重新编排S期与有丝分裂期，表明在裂殖酵母细胞周期中各阶段并没有固有的先后顺序。如果假设CDK底物磷酸化的顺序对于下游细胞周期事件的顺序至关重要的话，那么当细胞周期标准顺序发生改变的话，CDK活性、底物磷酸化、细胞周期阶段会发生联动变化。研究发现，当G2期CDK失活时，早期底物发生去磷酸化，如果CDK活性马上得到恢复的话，早期底物能恢复磷酸化从而使DNA合成进行而晚期底物不能恢复，表明早期底物的去磷酸化与磷酸化足以起始DNA复制。简单的通过晚期底物的提前磷酸化，即可迫使G1期细胞过早进入分裂期。也就是说，当CDK底物磷酸化顺序被打扰后，紧跟着细胞周期会被重新编排，阐明了CDK酶活阈值、底物差异磷酸化、G1-S/G2-M的起始与转变之间的因果关系。
由此，整篇文章基于磷酸化蛋白组学分析结合生化实验验证，检测了CDK底物磷酸化水平及不同细胞周期CDK酶活，揭示了细胞能够在一个动态变化的范围内提高CDK活性及不同底物对于CDK的灵敏度，并且伴随着快速的磷酸化转变以形成清晰的底物特异性的酶活阈值，从而保证下游细胞周期的正常进程。这一发现颠覆了以往的认知认为驱动S期和有丝分裂期的是整体CDK激酶活性而不是底物特异性，而真实情况是细胞分裂受到细胞周期蛋白-CDK活性阈值及底物特异性的共同的精细调控。
Swaffer M P, Jones A W, Flynn H R, et al. CDK substrate phosphorylation and ordering the cell cycle. Cell, 2016, 167(7): 1750-1761. e16.