重构磷酸化介导的细胞内信号传递网络

蛋白质磷酸化几乎参与了真核细胞的所有生物学进程通路。细胞内信号传递网络的上游通常是磷酸化介导的信号级联通路，下游经常涉及转录因子的磷酸化及转录调控。传统信号传递通路研究多注重于单条信号通路或简单级联效应，缺乏对细胞内完整信号传递过程的系统分析，重构信号传递网络的工作在国内至今仍是空白。本项目旨在重构磷酸化介导的细胞内信号传递网络。主要创新在于开发时间延迟线性回归模型，对时序性磷酸化定量蛋白质组学数据重构信号传递网络。本项目的完成将为研究蛋白质激酶/磷酸化位点-信号通路-生物学功能网络提供比较完整的分析工具和方法，并对揭示磷酸化修饰特征及规律、了解磷酸化级联与基因调控功能的关系有比较重要的意义。

蛋白质磷酸化是最丰富的可逆性共价修饰，由蛋白质激酶催化实现，通过介导细胞内信号传递网络，牵涉到真核细胞包括代谢、生长、分化和凋亡在内的几乎所有生物学进程通路。人类基因组上有500多个推断的激酶，约一半的激酶与疾病和癌症相关。蛋白质激酶由此成为重要的药物靶标。复杂疾病中信号传递系统的紊乱很少能由单分子或单通路解释，构建完整细胞内信号传递网络能为系统分析复杂生物进程提供背景。最近几年生物质谱技术的飞速发展使磷酸化位点鉴定、磷酸化蛋白质定量数据急剧增长，但相应的大规模生物信息分析工具缺乏。既往，关于构建磷酸化信号网络主要关注激酶与底物，磷酸酶与底物之间的关系。本项目力图重构磷酸化介导的细胞内信号传递网络，包括激酶-磷酸化级联和转录因子-靶基因的完整细胞内信号传递过程。首先我们从细胞膜上的受体（Human Plasma Membrane Receptome）以及这些受体相应的配体出发，通过蛋白质功能网络STRING数据库中的信息，构建了通用的与受体相关联的下游第一层效应蛋白信号网络。我们进而研究了每个受体的信号传递网络在各个不同类型细胞上的分布情况，结果显示不同类型的细胞在接收相同刺激的情况下，由于各细胞类型的信号通路网络的构成不同，导致了信号传递的途径也各不相同，最终决定不同的生物学功能。尽管原始一级背景网络相同，这种差异是由各种细胞内蛋白质空间表达的不均造成的。此初步研究结果充分说明了构建通用背景网络然后研究特定细胞类型下或生物状态下具体信号传递网络的组成和功能的重要性和必要性。最终，我们完成了磷酸化介导的人完整信号传递网络的平台构建。细胞信号网络存在时间与空间上的多个数量级。信号传递网络中主要参与的生物分子包括：配体，受体，激酶，磷酸酶，底物，转录因子和靶基因。严格控制仅保留实验验证的信息后，网络包含3,241个节点和11,976个边。同时，我们在该平台增加了一个时序数据聚类分析工具，加入癌症相关注释信息，扩展了平台的应用性。本项目的完成为研究蛋白质激酶/磷酸化位点-信号通路-生物学功能网络提供了比较完整的生物信息学分析工具和方法，并对揭示磷酸化修饰特征及规律、了解磷酸化级联与基因调控功能的关系有比较重要的意义。后续工作中，我们将利用该工具对不同疾病阶段信号传递网络的分析来帮助鉴定对疾病发生发展进程起关键或协同作用的信号分子和通路网络，并为网络药物设计提供依据。