Un atlas des spécificités du substrat pour le kinome sérine/thréonine humaine

Nature volume 613, pages 759-766 (2023)Citer cet article

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La phosphorylation des protéines est l’une des modifications post-traductionnelles les plus répandues en biologie1,2. Grâce aux progrès de la phosphoprotéomique basée sur la spectrométrie de masse, 90 000 sites de phosphorylation de la sérine et de la thréonine ont été identifiés jusqu'à présent, et plusieurs milliers ont été associés à des maladies humaines et à des processus biologiques3,4. Pour la grande majorité des événements de phosphorylation, on ne sait pas encore laquelle des plus de 300 protéines sérine/thréonine (Ser/Thr) kinases codées dans le génome humain est responsable3. Ici, nous avons utilisé des bibliothèques de peptides synthétiques pour profiler la spécificité de la séquence du substrat des 303 Ser/Thr kinases, comprenant plus de 84 % de celles qui devraient être actives chez l'homme. Considérée dans son ensemble, la spécificité du substrat du kinome était nettement plus diversifiée que prévu et était largement motivée par une sélectivité négative. Nous avons utilisé notre ensemble de données à l'échelle du kinome pour annoter et identifier par ordinateur les kinases capables de phosphoryler chaque site de phosphorylation signalé dans le phosphoprotéome Ser/Thr humain. Pour la petite minorité de phosphosites pour lesquels les protéines kinases putatives impliquées ont été précédemment rapportées, nos prédictions étaient en excellent accord. Lorsque cette approche a été appliquée pour examiner la réponse de signalisation des tissus et des lignées cellulaires aux hormones, aux facteurs de croissance, aux inhibiteurs ciblés et aux perturbations environnementales ou génétiques, elle a révélé des informations inattendues sur la complexité et la compensation des voies. Dans l’ensemble, ces études révèlent la spécificité intrinsèque du substrat du kinome Ser/Thr humain, éclairent les réponses de signalisation cellulaire et fournissent une ressource pour relier les événements de phosphorylation aux voies biologiques.

La phosphorylation des protéines au niveau des résidus sérine, thréonine, tyrosine et histidine contrôle presque tous les aspects de la fonction cellulaire eucaryote1,2,5,6. Une mauvaise régulation de la signalisation de la protéine kinase entraîne généralement des maladies humaines7. Le déchiffrement des rôles cellulaires de toute protéine kinase nécessite l’élucidation de ses substrats effecteurs en aval. Cependant, la majorité des relations kinase-substrat publiées à ce jour impliquent un nombre relativement restreint de protéines kinases bien étudiées, tandis que peu, voire aucun, de substrats n'ont été identifiés pour la majorité des quelque 300 protéines Ser/Thr kinases humaines. dans le kinome humain8,9,10. Ce manque de connaissance des relations kinase-substrat limite l'interprétation des grands ensembles de données phosphoprotéomiques basés sur la spectrométrie de masse (MS), qui ont à ce jour rapporté collectivement plus de 200 000 sites de phosphorylation Ser et Thr sur des protéines humaines . Les kinases spécifiques responsables de ces événements de phosphorylation ont été signalées pour moins de 4 % de ces sites3, ce qui limite considérablement la compréhension des réseaux de phosphorylation cellulaire.

Les kinases Ser/Thr bien étudiées sont généralement connues pour reconnaître des résidus d'acides aminés spécifiques à plusieurs positions entourant le site de phosphorylation14,15,16,17. Ce motif linéaire court, caractéristique d'une protéine kinase donnée, garantit la fidélité des voies de signalisation régulant la phosphorylation au niveau d'un résidu Ser ou Thr donné. La connaissance des motifs de reconnaissance des kinases peut faciliter la découverte de nouveaux substrats, par exemple en analysant les données phosphoprotéomiques à la recherche de séquences correspondantes. Cependant, à ce jour, les motifs de séquence de sites de phosphorylation ne sont connus que pour un sous-ensemble du kinome de la protéine humaine Ser/Thr. Nous avons précédemment décrit des méthodes de criblage combinatoires de bibliothèques de peptides qui permettent la détermination rapide de la spécificité de kinases individuelles sur la base de la phosphorylation de substrats peptidiques . Ici, nous appliquons ces méthodes pour déterminer expérimentalement la spécificité optimale du substrat pour la grande majorité du kinome Ser/Thr humain, caractériser la relation entre les kinases sur la base de leurs motifs et utiliser informatiquement ces données pour identifier les protéines kinases susceptibles de phosphoryler tout site identifié à l’aide de MS ou d’autres techniques. Enfin, nous montrons comment ces informations peuvent être appliquées pour capturer des changements complexes dans les voies de signalisation dans les cellules et les tissus après des perturbations génétiques, pharmacologiques, métaboliques et environnementales.