Science：偶然发现结束百年蛋白追踪

　　

生物通报道  1883年，瑞典化学家Olof Hammarsten发现称为酪蛋白（casein）的牛奶蛋白不仅包含已知的蛋白质构件，还包含化学磷酸盐（phosphate）。这是第一次知道蛋白质上有磷酸盐——现在被认为是蛋白质功能的关键调控子。今天，科学家们知道激酶可以通过将磷酸基团添加到细胞内生成的蛋白质上而调控蛋白质功能。尽管数以百计的激酶被发现并确定特征，然而直到现在还无法确定磷酸化酪蛋白的激酶。

来自霍华德休斯医学研究所（HHMI）的科学家近日鉴别并分离出了这一难于得到的酶。在发表于5月10日《科学快讯》（Science Express）上的一篇论文中，研究人员报道他们发现该酶不仅可以将磷酸基团转移至诸如酪蛋白的牛奶蛋白上，还有骨骼和牙釉质中的蛋白。

该研究的领导人、霍华德休斯医学研究所副所长、首席科学官Jack E. Dixon说：“我们解决了这一可以追溯至19世纪的科学难题。我们也搬开了这一激酶与生物矿化之间联系的绊脚石。”

Dixon实验室主要从事磷酸化酶（将磷酸基团添加到蛋白质上）和磷酸酶(除去磷酸化基团)研究。由于大部分激酶均定位于细胞内，直至上世纪80年代研究人员才开始在细胞外检测到激酶活性（例如，磷酸化蛋白质）。2008年，霍华德休斯研究员Kenneth Irvine研究了一种称为four-jointed的蛋白质，其在果蝇发育中起重要作用。Irvine证实four-jointed具有激酶活性，尽管这一蛋白与其他所有的常规激酶并不相似。此外，这一蛋白还被确定定位于细胞内的高尔基体。

Dixon 说：“我们并不是很清楚约580种常规激酶是否都具有信号序列使它们最终位于相同的细胞区室中，能如酪蛋白一样被分泌出去。”因此Dixon与德克萨斯大学西南医学中心的HHMI研究员Nick Grishin一起合作搜查了蛋白质序列数据库找到了与four-jointed相似的人类蛋白质。他们鉴别出了一个蛋白质家族Fam20，其具有与four-jointed相似的序列，Fam20 A、 B和 C蛋白均具有能够引导它们到达高尔基体相同位置的氨基酸序列。Fam20C可使具有一段特异的氨基酸序列模体的酪蛋白和大量的肽发生磷酸化。

然而发现能够对酪蛋白起作用的激酶Fam20C并不是故事的结尾。当Dixon查阅科学文献时，发现Fam20C突变过去被发现存在于Raine综合征的患者体内。Raine综合征是一种非常罕见的综合征，主要特征为骨密度增加，最终导致死亡。为了了解Fam20C和Raine综合征之间的联系，Dixon构建出了能够生成突变Fam20C的细胞系。

“结果表明这些突变每个都可使激酶失活，阻止其分泌，”Dixon说。研究人员早先明确的靶向氨基酸序列并不仅存在于酪蛋白中，还有牙基质蛋白、骨桥蛋白和骨涎磷蛋白（sialophosphoprotein）。所有这些蛋白质都参与了牙釉质和骨形成。

Dixon说：“最终，我们发现的不仅是酪蛋白激酶。这是激酶树上一个全新的分支，其似乎在骨骼和牙齿的形成中发挥了极其重要的作用。”

蛋白质常常利用磷酸盐来结合钙这一骨骼、牙齿和牛奶的关键成分。因此Dixon认为Fam20C的磷酸化作用生成了一个在骨和牙齿形成中至关重要的钙结合位点。当激酶突变时，骨骼或牙齿则不能正常形成。

接下来科学家们的待解析名单就是揭示其他Fam20蛋白——Fam20A和 Fam20B的功能，以及解答Fam20C的确切作用机制。

Dixon说：“这是一个科学之谜的结局。但同时它也打开了一个供我们探索的激酶生物学的全新领域。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Secreted Kinase Phosphorylates Extracellular Proteins that Regulate Biomineralization

Protein phosphorylation is a fundamental mechanism regulating nearly every aspect of cellular life. Several secreted proteins are phosphorylated but the kinases responsible are unknown. We identified a family of atypical protein kinases that localize within the Golgi apparatus and are secreted. Fam20C appears to be the Golgi casein kinase that phosphorylates secretory pathway proteins within S-x-E motifs. Fam20C phosphorylates the caseins and several secreted proteins implicated in biomineralization, including the small integrin-binding ligand, N-linked glycoproteins or SIBLINGs. Consequently, mutations in Fam20C cause an osteosclerotic bone dysplasia in humans known as Raine syndrome. Fam20C is thus a protein kinase dedicated to the phosphorylation of extracellular proteins.