间充质干细胞（Mesenchymal stem cells, MSC）作为干细胞的一种，具有多种类型分化的能力，可以分化为神经细胞、成骨细胞、软骨细胞、肌肉细胞、脂肪细胞等。这种亚全能分化的潜能是人类多种疾病治疗的重要原材料。MSC主要存在于成体结缔组织和器官间质等组织中，例如骨髓。然而从成人组织中衍生而来的MSC在疾病治疗中有明显的缺点，例如MSC细胞复制性衰老会影响其在临床的运用。MSC还可以从人体胚胎干细胞（human embryonic stem cells, hESCs）中分化而来。从ESC分化而来的MSC拥有更高的细胞增殖率，可以给临床治疗提供更重要的价值。然而从ESC到MSC分化过程中所发生的变化还没有被完整的分析过。
近日，Weill Cornell大学的研究人员在蛋白质组学顶级学术期刊Molecular & Cellular Proteomics上发表论文，为了更好的解决MSC现在用于治疗所遇到的瓶颈，他们通过以蛋白质组学为核心的多组学分析（蛋白组学、磷酸化修饰组，结合转录组分析），首次系统的分析了从ESC到MSC分化过程中所发生的变化。最终鉴定到一组对分化起到重要作用的基因。并且发现了多个可以表征MSC的蛋白标记，例如AHNAK。AHNAK在分化过程的早期有很高的表达量并拥有多个磷酸化位点。通过磷酸化组学的分析，研究人员发现，ESC和MSC中特有的磷酸化修饰（ESC and MSC-specific phosphorylation），并且找到了多个在MSC中处于上游的激酶，例如PAK2和RAF1。研究者首先运用转录组和蛋白组学找到了分化过程中高表达的基因。通过比较RNA和蛋白的相关性（RNA-Protein correlation），作者鉴定到1986个有表达差异的基因产物，它们在ESC分化到MSC过程中发挥了重要作中。其中包括了105个转录因子，65个激酶和24个磷酸酶（图1）。
磷酸化修饰组学分析发现，在分化过程中拥有最高表达量的蛋白通常具有最多个磷酸化位点（图2A、B）；并且随着不同分化阶段的变化，磷酸化位点也随之变化。例如AHNAK的 S5857和S5782位点在分化早期（前8个小时）就发生了磷酸化修饰（图2C）。这说明了磷酸化在整个干细胞分化过程中与蛋白调控有重要联系。
A：在分化过程中拥有最高表达量的蛋白；B：拥有最多磷酸化位点的蛋白；C：AHNAK的不同位点在不同时间点磷酸化热图。
研究者进一步发现了在早期干细胞分化过程中，磷酸化修饰能够调节参与RNA和转录因子运送的蛋白。研究发现核孔蛋白（Nucleoporins）的RNA和蛋白的表达量在整个分化过程中明显呈下降趋势（图3A），而然核孔蛋白的磷酸化修饰却是成双向性的。例如，NUP88 和NUP153的蛋白表达量均下降，但是NUP88 S35位点的磷酸化水平上调，而NUP153 T699位点下调（图3B）。这说明了磷酸化在调节蛋白表达中的复杂性。
图3 磷酸化修饰调节参与RNA和转录因子运送的蛋白A：核孔蛋白在不同时间的RNA和蛋白表达量；B：核孔蛋白的不同位点在不同时间点磷酸化热图
研究者通过KSEA(Kinase-Substrate Enrichment Analysis)分析，鉴定到在ESC到MSC分化过程中处于高度激活状态的上游激酶，例如PAK2 （图四A）。从RNA和蛋白表达谱数据（expression profile）来看，PAK2的RNA和蛋白表达量在整个分化过程中并没有明显的上升。但是其多个位点发生磷酸化修饰，其中包含对激酶活性非常重要的S141位点。研究结果说明磷酸化修饰在分化过程中调节上游激酶活性。A：分化过程中重要的上游激酶；B：上游激酶在不同时间点的RNA和蛋白表达量；C：上游激酶的不同位点在不同时间点磷酸化热图
综上所述，本文通过以蛋白质组学为核心的多组学分析（蛋白质组、磷酸化修饰组学，结合转录组），找到了多个MSC表征蛋白，例如AHNAK。目前MSCs的分子特征没有很好的一致性，从不同组织提取出来的MSCs在基因表达和分化能力上具有明显差异；利用作者在文中找到的多个MSC表征标记，可以更规范的找出那些适合临床治疗的MSCs。作者通过蛋白质组，找到了在分化过程发挥重要作用的转录因子，65个激酶和24个磷酸酶。除此之外，磷酸化修饰在整个分化过程都发挥了作用。
Anja M. Billing, et al., 2019, A systems-level characterization of the differentiation of human embryonic stem cells into mesenchymal stem cells. MCP.