​专家点评Nat Commun | 黄鹏羽/薛宇/舒易来团队合作开发“核心激酶推断”算法解析肝细胞转分化机制

点评丨徐成冉（北京大学基础医学院 研究员）、 王泽峰 （中国科学院上海营养与健康研究所，研究员）

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。现任职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的黄鹏羽早期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。

2022年9月6日，来自中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所的黄鹏羽团队、华中科技大学生命科学与技术学院薛宇团队、复旦大学附属眼耳鼻喉科医院舒易来团队在Nature Communications杂志上合作发表了一篇题为 PIM1 promotes hepatic conversion by suppressing reprogramming-induced ferroptosis and cell cycle arrest 的论文， 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。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32976-9

专家点评

徐成冉 （北京大学基础医学院 研究员）

蛋白激酶介导的蛋白质翻译后磷酸化修饰作为一种基本的细胞信号转导机制，在许多生物学过程中起着关键的调控作用。由于蛋白激酶调控机制的高度复杂性，在高通量或全基因组水平上识别出调节特定生物学过程的具有重要功能的蛋白激酶仍然是一个巨大的挑战。

中国医学科学院生物医学工程研究所黄鹏羽团队、华中科技大学薛宇团队及其合作者通过整合定量转录组和磷酸蛋白质组数据，开发了一种跨组学算法，即核心激酶推断 （CKI） ，以识别在特定生物学过程中发挥调控作用的潜在核心蛋白激酶。该方法的精确度显著优于现有的分析方法。

黄鹏羽团队长期致力于肝细胞命运调控的研究。作者进一步使用该方法分析了小鼠肝细胞成熟和人皮肤成纤维细胞肝脏重编程过程的转录组和磷酸蛋白质组数据，发现了5种调节这两个生物学过程的蛋白激酶。进一步实验表明，丝氨酸/苏氨酸激酶PIM1能够通过抑制铁死亡和细胞周期停滞而促进肝脏重编程过程，这为肝细胞命运调控机制提出了新的解释。整体来说，该项研究通过跨组学数据，提出了一种全新且高效地揭示生物学过程中发挥调控作用的核心蛋白激酶的方法，具有广阔的应用前景。

专家点评

王泽峰 （中国科学院上海营养与健康研究所，研究员）

人类基因组里有约500种蛋白激酶，占总基因数的大约2%。这些蛋白激酶通过对不同靶点蛋白质的磷酸化修饰，来调控很多重要的生物功能。然而蛋白激酶的研究大多集中在少数“明星”蛋白的研究中，对蛋白激酶的整体功能研究仍有很多空白，大量蛋白激酶的功能及底物尚不清楚。在新发表的这个工作中，计算生物学家和实验生物学家合作开发了一个新的跨组学数据分析算法，central kinase inference （CKI） ，对蛋白磷酸化组和转录组数据的关联进行了系统分析，可以找到在不同生物条件下起着关键作用的“核心”激酶 （central kinase） ，并对其生物功能进行预测和推断。

本文研究者利用此方法，研究了肝细胞分化过程中的关键蛋白激酶，进一步对其中一个核心激酶，PIM1，进行了深入研究，预测并验证了PIM1在人皮肤成纤维细胞向肝细胞转分化的关键作用，发现了PIM通过细胞周期和铁死亡来提高肝细胞的转分化效率。同时通过网络分析，研究了转录因子对核心蛋白激酶的调控，并刻画了由转录因子、蛋白激酶和底物来整合介导的调控信号通路，进一步在分子层面扩展了对肝细胞分化过程的认知。此工作代表了一个即从数据驱动的新研究思路，并可以对其他重要生物学过程中的蛋白激酶调控网络进行研究。除了在多种生物过程中的调控作用，蛋白激酶还是最常用的药物靶点之一，因此，这类研究有着非常好的理论和应用价值。

制版人：十一

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