蛋白磷酸化修饰（phosphorylation）是一种广泛存在的翻译后修饰类型，细胞内有超过30%的蛋白质发生磷酸化修饰是调节和控制蛋白质活力和功能的最基本、最普遍，也是最重要的机制之一。磷酸化参与各种生理和病理过程，调控细胞的增值、发育、分化、凋亡等生命活动，广泛运用在信号转导通路、细胞凋亡、发育分化、癌症机理等研究领域。
2020年6月1日，华中科技大学生命科学与技术院张珞颖教授和薛宇教授团队在Nature Communications发表最新研究成果【1】。研究人员整合果蝇头部转录组、蛋白组和磷酸化组的多组学数据，通过使用开发出的多组学数据整合节律算法iCMod进行分析，深度揭示了蛋白质磷酸化修饰调控昼夜节律机制（查看详细解读：睡不好觉？Nat Comm | 华中科技大学张珞颖/薛宇团队揭示激酶组调控昼夜节律机制）。
近日，华中科技大学薛宇教授团队与厦门大学高锦豪教授团队合作，在细胞自噬领域国际权威期刊Autophagy（IF=11.059）再次发表磷酸化组学研究最新成果。利用转录组、蛋白组和磷酸化蛋白组方法对二氧化硅纳米颗粒(SiNPs)诱导的自噬过程进行了分析，通过团队开发的基于多组学数据整合的关键自噬调控激酶计算方法cMAK，发现并验证了蛋白激酶Cdk4和Cdk7在SiNPs激活细胞自噬中的重要调控功能。细胞自噬（autophagy）是细胞内物质分解代谢的重要途径，在细胞生存、细胞免疫等生物学过程中发挥着关键功能。自噬功能障碍与神经退行性疾病、自体炎性疾病、癌症等人类疾病密切相关。研究表明金、银和二氧化硅等纳米材料能激活细胞自噬，但其中具体的分子调控机制仍有待深入研究。2017年，薛宇教授团队在Autophagy上报道了磷酸化修饰在神经细胞自噬过程中的重要作用【2】（查看详细解读：Autophagy：薛宇教授揭示磷酸化修饰在神经细胞自噬过程中的重要作用）。研究团队基于前期研究，从蛋白组、磷酸化修饰组角度，结合转录组研究，不仅揭示了纳米材料诱导自噬激活的分子调控机制，也为鉴定在动态生物学过程中的关键调控因子提供了新的计算方法。
研究人员首先利用16 nm、29 nm和51 nm三种尺度的二氧化硅纳米材料处理正常大鼠肾源（NRK）细胞，发现使用终浓度为60 μg/mL的16 nm纳米颗粒有效地诱导细胞自噬激活。在此研究基础上，作者用16nm SiNPs（60μg /ml）分别处理NRK细胞0、8、16、20和24 h，对15个NRK细胞样本（3次生物重复）(样本策略）采用label-free定量技术对蛋白质组和磷酸化蛋白质组进行定量分析，同时结合RNA测序(RNA- seq)技术进行转录组分析(组学策略）。
以0h作为对照，分别计算8、16、20、24h时mRNA、蛋白质和磷酸化蛋白质水平差异。利用作者所开发的THANATOS数据库和一个包含34个Atg基因和55个自噬调节因子的高质量基准数据集，作者发现多达23个Atg基因和35个自噬调节因子在至少一个组学层面上存在差异调节。基于GO富集分析，作者观察到3个生物过程，包括RNA剪接、mRNA处理和翻译，在两个组学层面同时富集。
作者开发了一个三步骤算法cMAK（computational prediction of master autophagy-regulating kinases）以整合转录组、蛋白质组和磷酸化组学数据来推断参与SiNPs诱导自噬的蛋白激酶，最后选定29个激酶作为潜在的自噬调节激酶。通过研究29种激酶和299种预测底物之间的关系，作者发现多达12个激酶属于CDK激酶家族，包括CDK2、CDK4、CDK5、CDK6、CDK7、CDK9等，表明CDKs在SiNPs诱导的自噬中可能发挥作用。进一步分子层面分析证实了CDK4 CDK7是SiNPs诱导自噬激活所必需的蛋白激酶，抑制CDK4或CDK7激酶活性显著减弱了SiNPs的自噬激活。综上所述，研究人员针对16 nm SiNPs处理前后的细胞样品，开展时序的转录组、定量蛋白质组和定量磷酸化蛋白质组鉴定，对SiNPs诱导的自噬过程进行了多组学分析，不仅确定了CDK4 CDK7是SiNPs诱导自噬的关键蛋白激酶，而且开发了一种非常有效的算法（cMAK）来分析多组学数据，为鉴定在动态生物学过程中的关键调控因子提供了新的计算方法。该论文的共同第一作者为华中科技大学生命学院在读博士生阮晨、王晨玮和厦门大学在读博士生龚玄清，通讯作者为华中科技大学生命学院薛宇教授、博士后彭迪和厦门大学高锦豪教授。景杰生物为该研究的蛋白质组学与磷酸化组学定量提供了技术支持。
薛宇 教授
现任华中科技大学生命科学学院教授。主要研究方向为蛋白质翻译后修饰信息学。近年来围绕修饰底物和位点预测、修饰数据资源构建与可视化，以及修饰组学数据整合与功能分析等重要科学与技术问题，采用由点及面、层层推进的研究策略，取得了阶段性研究成果。
入选"新世纪优秀人才支持计划"、"万人计划"青年拔尖人才和"青年长江学者"。以第一或通讯作者身份发表SCI 论文61篇，包括Cel Res（IF=15.393）、Nat Pro（IF=12.423）等国际著名期刊。
高锦豪 教授
现任厦门大学化学化工学院教授，固体表面物理化学国家重点实验室固定研究人员。2010年入选教育部 “新世纪优秀人才支持计划”，2012年国家基金委优秀青年科学基金资助，现主持国家“973”课题、国家基金等多个项目。
课题组主要从事纳米生物，生物无机化学与活体成像分析的交叉研究工作。具体方向：功能分子和纳米颗粒的设计合成及其生物医学分析应用研究，生物探针，体外诊断，分子影像及成像分析，药物输送，肿瘤诊断治疗。
1. Chenwei Wang., et al., 2020, Integrated omics in Drosophila uncover a circadian kinome. Nature Communications.2. Lei-Lei Chen, et al., 2017, Phosphoproteome-based kinase activity profiling reveals the critical role of MAP2K2 and PLK1 in neuronal autophagy. Autophagy.3、Chen Ruan, et al., 2020，An integrative multi-omics approach uncovers the regulatory role of CDK7 and CDK4 in autophagy activation induced by silica nanoparticles. Autophagy.
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邹文安