生物医学工程研究所开发核心激酶推断算法解析肝细胞分化成熟关键分子机制
时间:2022-09-11 来源:本站
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   近日,北京协和医学院&中国医学科学院生物医学工程研究所黄鹏羽团队与华中科技大学薛宇团队、复旦大学附属眼耳鼻喉科医院舒易来团队合作在肝细胞分化成熟关键分子机制研究中取得重要进展。相关成果以PIM1 promotes hepatic conversion by suppressing reprogramming-induced ferroptosis and cell cycle arrest为题,发表在Nature Communications

(2022,https://doi.org/10.1038/s41467-022-32976-9)。

肝细胞可以应用于药物评价、细胞治疗、生物人工器官等领域,具有重要的应用价值。然而,如何高效获取具有成熟功能的肝细胞一直是瓶颈问题。中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所研究员黄鹏羽在前期研究中曾建立了在小鼠和人皮肤成纤维细胞中过表达肝特异的转录因子,将其直接诱导转化为肝细胞的方法(Nature, 2011; Cell Stem Cell, 2014)。转分化来源的肝细胞因其易于获取、步骤简单、具有体内功能而备受关注。但是,肝细胞转分化的调控机制仍然不清楚,如何提高转分化的效率和细胞的成熟功能也依然是技术难点。
细胞命运决定和转化过程中,蛋白激酶介导的蛋白磷酸化是信号转导过程的重要环节。然而蛋白激酶的活性受到转录水平、蛋白水平、蛋白磷酸化水平等多级调控,难以通过单一的组学数据对蛋白激酶的活性进行系统性的评估。本研究团队通过整合磷酸化组和转录组数据,开发了“核心激酶推断”(central kinase inference, CKI)算法,预测并发现蛋白激酶PIM1在人皮肤成纤维细胞向肝细胞转分化早期的关键作用。他们发现PIM1通过抑制细胞命运转变导致的细胞周期阻滞和细胞铁死亡,大幅提高肝向转分化的效率,并能显著促进转分化肝细胞的成熟。这项工作利用CKI算法也发现了双分化潜能的小鼠肝祖细胞在向成熟肝细胞分化过程中,cAMP通过PRKACA、PRKACB和PRKX等激酶促进肝细胞成熟的机制。因此,这项工作开发了一个新的跨组学分析方法CKI,为重要生物学过程中核心蛋白激酶发现提供了新的工具。



CKI算法的设计包含三个基本假设。首先,蛋白激酶在转录水平的表达调控其固有活性,因此生物学过程中,转录水平显著变化的蛋白激酶可能是重要的。差异表达的蛋白激酶可从转录组数据中计算获得。其次,活性更高的激酶可能修饰更多磷酸化位点,反之亦然。因此可根据磷酸化组数据中的修饰位点变化,反推上游调控激酶的活性变化。第三,活性更高的激酶可能对磷酸化网络有更强的影响,因此可根据磷酸化组数据构建激酶-底物网络,再利用统计学的方法检测活性显著变化的激酶。综合三部分预测,即为CKI算法的最终结果。

基于CKI的预测结果,作者分析了具有双向分化潜能的小鼠肝祖细胞向成熟肝细胞分化过程的转录组和蛋白磷酸化组,并预测了28个潜在的关键激酶。通过逐一过表达,验证出其中PRKACA、PRKACB和PRKX的过表达可显著促进肝细胞的成熟。PRKACA、PRKACB和PRKX都是依赖cAMP的蛋白激酶的催化亚基。这项研究正好解释了在诱导肝细胞成熟的培养基中需要加入cAMP的原理。
作者又分析了诱导人皮肤成纤维细胞向肝实质细胞转分化过程早期的转录组和蛋白磷酸化组,通过CKI预测出15个潜在的关键激酶。通过逐一过表达和基因敲降,发现PIM家族蛋白(PIM1、PIM2和PIM3)可显著促进肝向转分化,也发现敲降PIM1、PIM2、PLK1、PLK2、NEK4等基因可以阻止肝向转分化的发生。由于其中过表达PIM1对提高肝向转分化的效果最为明显,作者又系统地研究了PIM1促进肝向转分化的机制。在过去的研究中,人们发现细胞命运的改变会诱导细胞周期阻滞和细胞死亡。而过表达PIM1可显著提高肝向转分化过程中的细胞增殖,并能抑制细胞死亡。通过对该死亡过程进行分析,作者发现肝向转分化过程中会发生大量细胞铁死亡。通过过表达PIM1或采用铁死亡抑制剂处理可以减少肝向转分化过程中的细胞铁死亡。在经典的Erastin或RSL3诱导的细胞铁死亡过程中,过表达PIM1也可以抑制细胞铁死亡,说明PIM1抑制细胞铁死亡是一个普遍存在的机制。
这项研究不仅为更高效地获取成熟的转分化肝细胞提供了关键的机制基础,也为多组学整合的重要激酶预测提供了高效的计算方法。
北京协和医学院&中国医学科学院生物医学工程研究所黄鹏羽研究员、华中科技大学薛宇教授、复旦大学附属眼耳鼻喉科医院舒易来教授为共同通讯作者,工程所为第一作者单位,工程所博士研究生雒苗苗为共同第一作者。本项目受到中国医学科学院北京协和医学院创新工程、基科费项目、科技部重点研发项目、国家自然科学基金委面上项目、天津市杰青基金等项目资助。


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