中国科学院三篇重磅研究，揭示磷酸化修饰新生物学功能

景杰生物/报道

蛋白质磷酸化（Phosphorylation）是指蛋白质在磷酸化激酶的催化下，把ATP或GTP上的磷酸基转移到蛋白质的特定位点（氨基酸残基Ser、Tyr、Thr）上的过程。

磷酸化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。因此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。磷酸化参与各种生理和病理过程，调控细胞的增殖、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。

近日，中国科学院的科学家连续发表三篇重磅研究，揭示磷酸化修饰分别在内质网氧化还原稳态、肿瘤微环境、植物免疫通路领域的新的生物学功能。

6月1日，EMBO Journal杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所王志珍课题组的研究成果。该研究发现分泌途径的蛋白激酶Fam20C可通过磷酸化内质网巯基氧化酶Ero1a来调控内质网的氧化还原稳态。研究首次建立了蛋白质的磷酸化修饰与氧化折叠之间的联系，为内质网等分泌途径细胞器的环境和功能的调控提供了新的机制，揭示了蛋白质磷酸化修饰新的生物学功能。

2012年，科学家发现第一个分泌途径中的蛋白激酶——Fam20C。Fam20C能够催化100多种分泌到胞外的蛋白的磷酸化，其功能缺陷与骨发育不良疾病雷恩综合症密切相关。然而，Fam20C对内质网等分泌途径细胞器功能的研究几乎是空白。

王志珍课题组首先通过相互作用蛋白组学方法发现Fam20C和349个定位于内质网和高尔基体的蛋白质有相互作用，蛋白质折叠通路的许多关键酶被高度富集。利用定位在内质网的氧化还原敏感的荧光蛋白探针观察到Fam20C基因敲除的细胞内质网处于更加还原的状态。

进一步研究发现，真核细胞内质网中负责催化二硫键形成最关键的巯基氧化酶Ero1a的145位丝氨酸可发生磷酸化修饰，并鉴定其激酶就是Fam20C。磷酸化的Ero1a在体内和体外均表现更高的氧化酶活力，这是一种与已知的调控二硫键“开关”完全不同的调节Ero1a酶活力的方式。

Fam20C与内质网蛋白质氧化折叠机制

研究发现，Fam20C在高尔基体中催化Ero1a磷酸化，磷酸化的Ero1a被分子伴侣ERp44以巯基滞留的方式返回内质网中执行功能。这也回答了为什么在内质网发挥功能的Ero1a却没有内质网滞留序列这个长期没有回答的问题。

研究从生理和整体水平上揭示了Ero1a磷酸化与内质网蛋白质氧化折叠的紧密联系，揭示了蛋白质磷酸化修饰新的生物学功能。王志珍课题组副研究员王磊为论文的通讯作者，课题组博士生张建超为论文的第一作者。北京大学肖俊宇课题组参与了该研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会等项目的资助。

7月19日，国际学术期刊Molecular Cell在线发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所杨巍维研究组的最新研究成果。研究揭示了肿瘤相关巨噬细胞通过调控肿瘤细胞中PGK1的磷酸化调控肿瘤细胞的糖酵解，从而促进了多形性神经胶质母细胞瘤的发展。

肿瘤微环境是肿瘤细胞赖以生存的复杂环境，主要由多种不同的细胞外基质和基质细胞组成。肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）是浸润在肿瘤组织中的巨噬细胞，是肿瘤微环境中最多的免疫细胞。研究表明肿瘤相关巨噬细胞可以通过多种途径促进肿瘤细胞的生长及转移，但其是否能调控肿瘤细胞的代谢并不清楚。

杨巍维组的最新研究表明，TAMs分泌白介素6（IL6）作用于胶质瘤细胞，促进胶质瘤细胞中3-磷酸肌醇依赖的蛋白激酶1（PDPK1）介导的PGK1第243位苏氨酸（T243）的磷酸化，从而改变PGK1和底物的亲和力，提高PGK1糖酵解方向的活性，促进了胶质瘤细胞的有氧糖酵解、细胞增殖和肿瘤生长。通过使用IL6中和抗体、抑制肿瘤细胞中PDPK1活性或者PGK1 T243磷酸化，可以抑制TAMs促进的胶质瘤细胞的有氧糖酵解、细胞增殖和肿瘤生长。

通过对大量胶质瘤病人样本进行免疫组化分析，研究人员发现PGK1 T243磷酸化与PDPK1活性、TAMs的浸润、IL6的表达密切相关；结合病人预后资料，他们进一步发现PGK1 T243磷酸化和胶质瘤的等级成正相关，和胶质瘤病人的预后成负相关。

肿瘤相关巨噬细胞促进肿瘤恶性进展的新机制

该工作首次揭示了微环境中的巨噬细胞可通过调控肿瘤细胞代谢以促进肿瘤生长的新机制；建立了蛋白翻译后修饰对代谢酶催化方向调控的新模式；提示了PGK1 T243磷酸化可作为指示胶质瘤预后的生物标志物，并为胶质瘤的治疗提供了新策略，即抑制PGK1的磷酸化来切断TAMs和肿瘤细胞之间的连接。

杨巍维和中科院大连化学物理研究所研究员李国辉为该论文的共同通讯作者。杨巍维组博士研究生张亚娟、龙华医院教授于观贞和大连化物所博士楚慧郢为该论文的共同第一作者。该项研究工作得到了中国国家自然科学基金、中科院战略优先研究项目和青年千人计划的资助。

6月6日，植物学专业学术期刊Plant Cell在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民研究组的最新研究成果。研究揭示了PRR激活MAPK级联反应的分子机制，RLCKs VII成员和MPK4通过磷酸化MEKK1的Ser603位点，正调控MPK4通路的活性。 

植物通过位于细胞膜表面的模式识别受体（Pattern Recognition Receptors, PRRs）感知病原菌的存在，激活免疫反应。其中，由MAPKKK、MAPKK和MAPK组成的MAPK级联信号是植物抗病系统的关键组份。

已有研究表明，PRRs激活两条MAPK级联信号通路，其中一条信号通路的组份为MEKK1（MAPKKK）、MKK1/2（MAPKKs）和MPK4（MAPK）；另一条的组份包括MKK4/5（MAPKKs）和MPK3/6（MAPKs）。迄今为止，MPK3/6途径的MAPKKK组份存疑，并且植物中为数众多的PRRs调控MAPKKKs的机制还不清楚。

周俭民研究组发现同源蛋白MAPKKK3和MAPKKK5同为MPK3/6途径组份，作用于多个PRR下游。定位于胞质的类受体激酶第七亚家族（RLCK VII）成员，直接磷酸化MAPKKK5的Ser599，从而正调控PRR介导的MAPK激活、下游基因表达及植物的抗病性。

有意思的是，激活后的MPK6能通过正反馈，进一步磷酸化MAPKKK5的Ser682和Ser692位点，由此增强MPK3/6通路的活性和抗病性。此外，MPK4级联通路也受到类似调控。RLCKs VII成员和MPK4通过磷酸化MEKK1的Ser603位点，正调控MPK4通路的活性。该研究揭示了PRR激活MAPK级联反应的分子机制。

植物PRR激活MPK3/6/4的模式图 

周俭民研究组博士后毕国志、助理研究员周朝阳以及博士生王伟兵为该论文的共同第一作者，周俭民为通讯作者。该研究得到了中科院战略性先导科技专项和中国科学技术部的资助。

参考文献

【1】Zhang, J., et al. (2018). Secretory kinase fam20c tunes endoplasmic reticulum redox state via phosphorylation of ero1α. Embo Journal.

【2】Zhang Y, et al. (2018). Macrophage-Associated PGK1 Phosphorylation Promotes Aerobic Glycolysis and Tumorigenesis. Molecular Cell.
【3】Bi, G., et al. (2018). Receptor-like cytoplasmic kinases directly link diverse pattern recognition receptors to the activation of mitogen-activated protein kinase cascades in arabidopsis. Plant Cell.

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