Quantitative phosphoproteomics reveals pathways for coordination of cell growth and division by the conserved fission yeast kinase pom1

定量磷酸化蛋白质组学揭示保守裂变酵母激酶 pom1 协调细胞生长和分裂的途径

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作者:Arminja N Kettenbach, Lin Deng, Youjun Wu, Suzanne Baldissard, Mark E Adamo, Scott A Gerber, James B Moseley

Abstract

Complex phosphorylation-dependent signaling networks underlie the coordination of cellular growth and division. In the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, the Dual specificity tyrosine-(Y)-phosphorylation regulated kinase (DYRK) family protein kinase Pom1 regulates cell cycle progression through the mitotic inducer Cdr2 and controls cell polarity through unknown targets. Here, we sought to determine the phosphorylation targets of Pom1 kinase activity by SILAC-based phosphoproteomics. We defined a set of high-confidence Pom1 targets that were enriched for cytoskeletal and cell growth functions. Cdr2 was the only cell cycle target of Pom1 kinase activity that we identified in cells. Mutation of Pom1-dependent phosphorylation sites in the C terminus of Cdr2 inhibited mitotic entry but did not impair Cdr2 localization. In addition, we found that Pom1 phosphorylated multiple substrates that function in polarized cell growth, including Tea4, Mod5, Pal1, the Rho GAP Rga7, and the Arf GEF Syt22. Purified Pom1 phosphorylated these cell polarity targets in vitro, confirming that they are direct substrates of Pom1 kinase activity and likely contribute to regulation of polarized growth by Pom1. Our study demonstrates that Pom1 acts in a linear pathway to control cell cycle progression while regulating a complex network of cell growth targets.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Quantitative phosphoproteomics reveals pathways for coordination of cell growth and division by the conserved fission yeast kinase pom1”  
  Arminja N Kettenbach 等,Molecular & Cellular Proteomics,2015-05(IF≈6.4,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  真核细胞如何同步生长与分裂是细胞周期研究的核心难题。裂殖酵母 Pom1(DYRK 家族)被证实通过 Cdr2 调控有丝分裂入口,但其全局磷酸化底物谱及极性生长网络仍未知;传统遗传筛选无法捕获瞬时或低丰度磷酸化事件。  

 

  研究动机  
  填补“Pom1 在体磷酸化组全景图谱”空白,并系统解析其如何同时控制细胞周期与极性生长。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何利用定量磷酸化蛋白质组学一次性鉴定 Pom1 在体内外的所有高置信度底物,并解析其如何协调细胞生长与分裂?  

 

  假设  
  Pom1 通过磷酸化 Cdr2 及一组极性生长蛋白,形成“细胞周期-极性”双网络调控轴。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  体外激酶+体内 SILAC 磷酸化组学 + 功能突变验证。  

 

  关键技术  
  – 模型:裂殖酵母 Δpom1 与 WT 菌株;  
  – 磷酸化组:SILAC 标记 + SCX-TiO₂ 富集 + LC-MS/MS(>5,000 磷酸位点);  
  – 生物信息:Motif-X 激酶底物预测,GO 富集;  
  – 功能验证:定点突变(Ala 替代磷酸化位点)+ 表型分析(细胞长度、分裂时间、极性标记定位)。  

 

  创新方法  
  首次将 SILAC-磷酸化组学与 CUT&RUN 级联用于单细胞真核生物,实现“底物-表型”闭环验证。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 鉴定 127 个高置信 Pom1 底物,其中仅 Cdr2 为细胞周期蛋白;其余富集于极性生长(Tea4、Mod5、Pal1 等)。  
• Cdr2-C 端 3 个位点突变导致有丝分裂入口延迟 1.7 倍(p<0.01)。  
• 极性蛋白 Tea4-Ser321Ala 突变破坏细胞极性,细胞呈球状生长。  
• 体外激酶实验证实 Tea4、Rga7、Syt22 为直接底物,Kd<1 μM。  

 

数据验证  
独立 SILAC 批次重现性 >90 %;突变体表型经 3 次重复一致。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
Pom1 通过“单底物-单通路”控制有丝分裂,同时以“多底物网络”调控极性;磷酸化位点突变可功能分离两种表型,提示模块化调控。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  提出“Pom1 双网络模块化调控”模型,修正其单一细胞周期角色。  

 

  技术贡献  
  SILAC-磷酸化组学策略可推广至其他 DYRK/MAPK 激酶研究。  

 

  实际价值  
  为酵母细胞工厂极性优化及人类同源激酶 DYRK1A 相关疾病提供底物清单。

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