Cell Syst. | 多维蛋白组学分析，探索信号通路研究未知“黑洞”
景杰学术/解读
编者按：今天带来近日发表在国际专业学术期刊 Cell Systems上的最新文章。研究中运用了独特的多维蛋白质组学研究方法，运用全蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学及PRM 靶向蛋白组学技术对机械力诱导后的爪蟾胚胎组织的应答通路进行了研究，揭示了机械应答中隐藏的通路，并确定了一个以前未知的早期响应性机械应答因子。
机械力是许多生物进程的基本驱动力，尤其是在发育过程中。尽管细胞能够感知并适应机械力这一事实已得到广泛承认，但作为机械作用基础的信号转导通路至今仍是一个谜。在多细胞生物中，单个细胞根据与邻近细胞的相互作用和反应来调节细胞的命运和行为。此外，细胞感知和应答周围环境中机械刺激的能力已经成为指导细胞命运和细胞行为的另一个关键组成部分。虽然很明显，物理作用力指导细胞行为，但对这种关系背后的分子机制的理解仍然有限。
近日，由普林斯顿大学联合冈崎国立基础生物研究所联合，运用全蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学以及PRM 靶向蛋白组学技术，揭示了机械力诱导的爪蟾胚胎组织应答通路。文章研究了机械力刺激对爪蟾胚胎磷酸化介导的信号转导和蛋白质组改变的影响。在瞬时力刺激下检测到超过9000个磷酸化肽。利用靶向质谱法PRM验证了磷酸化的特异性改变，并利用激酶抑制剂研究了机制通路。
研究发现了嗜碱性激酶的快速激活、细胞-细胞连接磷酸化的上调以及紧密连接重构成分，确定Lmo7是一个与机械力依赖激活有关的因素，证实机械力诱导间充质细胞向上皮细胞转化(MET)样表型。此篇研究为非洲爪蟾提供了蛋白质组和磷酸蛋白质组数据资源，并且同样为非洲爪蟾的机械力传感途径提供了机制上的见解。
1、机械力刺激非洲爪蟾胚胎：蛋白质组学和磷蛋白质组学分析
细胞表型和对急性力刺激应答最终是通过翻译后修饰的动态变化传递的，如磷酸化修饰和蛋白质稳态。因此，为了获得机械传感通路的全局视图，作者对非洲爪蟾胚胎样本做了四个不同条件的离心力处理，随后进行了蛋白质组学和磷酸化蛋白组学研究。
2、蛋白组学结果揭示粘着斑和紧密连接元件的磷酸化修饰
蛋白组学结果聚类分析处理后表明，在离心力的作用下，大部分的蛋白水平没有发生变化，只有一小部分特殊的蛋白亚集发生上下调的改变。同蛋白水平丰度变化相比，磷酸化蛋白组学的改变更为明显，一些显著的磷酸化水平增加的蛋白参与细胞-细胞粘连作用。在所有测试的时间点上，通过对局部粘连和紧密连接元件的仔细观察，可以发现它们在机械力的作用下发生磷酸化修饰。
3、机械力刺激激酶图谱揭示嗜碱性激酶快速激活
鉴于许多磷酸化位点在机械力的刺激下会发生动态调节，研究人员进一步研究哪些激酶参与调控。磷酸激酶富集分析结果表明包括PKC、PAK2、AMPK等在内的多种激酶被显著富集，多种嗜碱性激酶，如AKT1、PAK2、AMPK在机械力刺激后10分钟即被激活。研究人员进而应用靶向蛋白组学PRM技术对两类嗜碱性激酶（Pak2 和AMPK）的活性变化做了验证，证实了机械力诱发的应答作用。与此同时，磷酸化蛋白组学的结果表明FAK参与机械力刺激的信号传递，使用激酶抑制剂处理的研究揭示了粘着斑激酶(FAK)和蛋白激酶C (PKC)之间存在着信号交联。
4、机械力刺激诱导MET
由于在机械力刺激过程中，粘着斑组分会发生动态磷酸化，于是研究人员希望从蛋白丰度发生变化的蛋白群体中揭示调控机械性应答的关键蛋白。研究人员发现发现在机械力刺激后，Lmo7蛋白上调，从而导致机械性应答。鉴于在转录水平(Lmo7.L)和磷酸化水平上对粘着斑进行动态调控的发现，以及粘着斑在细胞迁移中的已知作用，研究人员接下来研究蛋白质组的变化同其他表型变化的关系，进而发现机械压缩力诱导了间充质到上皮过渡(MET)样表型。
综上所述，此项研究利用爪蟾胚胎和定量质谱检测的方法，揭示了机械应答中隐藏的通路，并确定了一个以前未知的早期响应性机械应答因子。此篇文章的发现将有助于更广泛地了解生物体细胞的机械反应性信号转导途径，也凸显出多维蛋白组学联用（如蛋白组学、磷酸化蛋白组学以及靶向蛋白组学PRM）在今后科学研究中的重要意义。
参考文献：
1，Hashimoto Y, et al., 2019, Mechanical Force Induces Phosphorylation-Mediated Signaling that Underlies Tissue Response and Robustness in Xenopus Embryos, Cell Syst.
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