想象一下騎自行車(chē)的感覺(jué)。再想象一下，車(chē)把上卡著(zhù)一個(gè)巨大的沙灘球。這種“改裝”可能會(huì )徹底改變你的體驗。

在我們的細胞中，有一種叫做磷酸基的分子不斷地附著(zhù)到蛋白質(zhì)上，或者從蛋白質(zhì)上解離。這些“翻譯后修飾”會(huì )改變我們蛋白質(zhì)的功能。

“細胞內會(huì )以非?？斓乃俣冉o蛋白質(zhì)添加或移除各種小型的化學(xué)‘裝飾’，這些修飾改變了蛋白質(zhì)與其他生物分子的相互作用，”拉荷亞免疫學(xué)研究所(LJI)和全球自身免疫研究所助理教授塞繆爾·邁爾斯博士說(shuō)道。

邁爾斯領(lǐng)導著(zhù)LJI的免疫化學(xué)電路實(shí)驗室，他的團隊開(kāi)創(chuàng )性地使用質(zhì)譜法、先進(jìn)的基因組工程工具和表型篩選來(lái)研究在免疫細胞中發(fā)揮重要作用的蛋白質(zhì)修飾。邁爾斯和他的同事最近開(kāi)發(fā)了一種新方法，發(fā)表在《自然方法》雜志上，以便快速評估磷酸化位點(diǎn)——即磷酸基附著(zhù)到蛋白質(zhì)上并調節其功能的位置。

對于研究免疫系統中蛋白質(zhì)如何發(fā)揮作用的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這一方法是一個(gè)重大飛躍。“這種方法基本上創(chuàng )造了一個(gè)全新的實(shí)驗領(lǐng)域，人們可以進(jìn)行各種實(shí)驗，”邁爾斯補充道。

在這項新研究中，研究人員使用這種方法揭示了在抗疾病T細胞中形成復雜“信號通路”的蛋白質(zhì)。

“關(guān)于這些信號通路，我們還有很多不了解的地方，”擔任新研究的第一作者的LJI研究技術(shù)員帕特里克·肯尼迪說(shuō)道。“這種新方法為研究人員學(xué)習更多提供了契機。”

新方法的工作原理

要制造蛋白質(zhì)，細胞將DNA“轉錄”成一個(gè)稱(chēng)為mRNA的有用分子。細胞然后“翻譯”mRNA的編碼來(lái)組裝蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)隨后被修飾以達到其最終的活性形式。對于這項新研究，邁爾斯和他的團隊著(zhù)眼于構成引發(fā)T細胞激活的信號通路的修飾。

T細胞激活是T細胞準備對抗病原體的過(guò)程。“T細胞激活是許多自身免疫性疾病的關(guān)鍵所在，而T細胞激活問(wèn)題是癌癥未能被免疫系統有效治療的原因，”邁爾斯說(shuō)道。“因此，我們需要對信號傳導和T細胞激活通路有更高分辨率的了解。”

T細胞在激活過(guò)程中協(xié)調大批新的翻譯后修飾。邁爾斯和他的同事想要準確地知道磷酸基附著(zhù)到這些蛋白質(zhì)的哪里。這些修飾如何影響功能？它們會(huì )增加還是減少蛋白質(zhì)功能？這會(huì )對T細胞激活產(chǎn)生什么后果？

為了找出答案，科學(xué)家們利用一種稱(chēng)為Cas9介導的堿基編輯工具，對T細胞的DNA代碼進(jìn)行非常小、有針對性的調整。這為科學(xué)家們提供了一組突變的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)無(wú)法以相同的方式被修飾。然后，他們促使突變的T細胞根據其改變后的功能進(jìn)行組裝。

由于突變的DNA，最終是RNA，這些新蛋白質(zhì)缺乏其通常的磷酸化位點(diǎn)。邁爾斯和他的團隊隨后測試了這些新蛋白質(zhì)的功能是否減弱或增強，或者這些改變是否導致任何功能上的差異。

新方法使他們迅速得到了答案。“人們通常一次只觀(guān)察10到20個(gè)磷酸化位點(diǎn)，”邁爾斯說(shuō)道。“但由于我們是一個(gè)質(zhì)譜實(shí)驗室，我們可以利用這種技術(shù)同時(shí)觀(guān)察所有磷酸化，現在我們可以一次對10,000個(gè)或更多磷酸化位點(diǎn)進(jìn)行這種功能測試。”

科學(xué)家們迅速分析了約11,000個(gè)磷酸化位點(diǎn)。然后，他們與LJI下一代測序核心合作，對編輯過(guò)的T細胞進(jìn)行了剖析。他們的分析揭示了磷酸基如何指導特定基因表達響應，當細胞準備對抗疾病時(shí)。

“根據我們做出的突變，我們可能真的能夠調節T細胞激活通路內不同基因亞組的水平，”邁爾斯說(shuō)道。

邁爾斯希望未來(lái)的研究人員能進(jìn)一步推動(dòng)基因的“調節”，并找出如何激活特定的免疫細胞來(lái)對抗疾病。例如，科學(xué)家們可能希望只激活某些T細胞亞群來(lái)阻止癌癥的發(fā)展。“我們是否可以在治療癌癥的情況下激活CD8+‘殺手’T細胞，而不激活正常情況下抑制免疫系統的調節性T細胞？”邁爾斯說(shuō)道。

邁爾斯補充道，磷酸基不是唯一改變蛋白質(zhì)功能的分子。正如他所解釋的那樣，這種新方法可以應用于研究許多類(lèi)型的翻譯后修飾，包括邁爾斯稱(chēng)之為他的“初戀”的一種修飾，O-GlcNAc。

雜志：Nature Methods

DOI：10.1038/s41592-024-02256-z