磷酸化是细胞内最常见和最重要的蛋白质翻译后修饰之一。在真核细胞中，大约1/3的蛋白质会被磷酸化。蛋白质的磷酸化和去磷酸化作为一种“分子开关”，通过影响蛋白质的结构、定位和功能，在细胞的信号转导、转录翻译、代谢和发育等生命过程中发挥着重要作用。
蛋白质磷酸化是指在激酶作用下，由三磷酸腺苷（ATP）提供磷酸根和能量将磷酸根共价键合到蛋白质残基的过程，而去磷酸化则是由磷酸酶催化的水解反应。目前约有500种蛋白激酶和少量的磷酸酶调节着可逆的磷酸化过程。
图2：磷酸化修饰类型[1]
表1：磷酸化修饰类型[1]
尽管磷酸化蛋白的数目相对较多，但磷酸化多肽在总酶切多肽中的占比并不高，据推测可能不足 5%，大量非磷酸化蛋白的存在会对磷酸化蛋白的鉴定造成一定的挑战。近年来不断有各种磷酸化富集方法的报道，使得磷酸化蛋白质和磷酸化位点的鉴定数目有了大幅度的提高[2]。下面列举了目前常用的磷酸化肽段富集方法及其特点（图3，表2），目前最常用的是亲和色谱法。
图3：磷酸化肽段富集方法[2]
表2：磷酸化修饰肽段富集方法[1]
磷酸化修饰对蛋白质的功能性和稳定性起着至关重要的作用，它们调控着蛋白质的活性、定位、相互作用，是细胞信号传导和生物学过程的关键调节器。磷酸化蛋白质组学作为一门研究这些修饰的科学手段，可以帮助解决不同领域的生物学问题。
磷酸化蛋白质组对于全面理解复杂的生物学网络、揭示疾病发生的分子机制、发现和验证疾病标志物、指导个性化医疗以及推动药物开发具有不可替代的重要性。
图4：磷酸化在癌症研究中的应用[3]
磷酸化修饰在细胞信号传递中起着核心作用，通过分析特定信号分子的磷酸化状态，可以深入理解信号通路的调控机制，为癌症细胞生物学和不同肿瘤类型的信号提供了机制上的见解。KSEA的发现实例包括鉴定蛋白激酶A作为肿瘤成纤维细胞中细胞代谢增加的介质；鉴定通过壁内皮细胞中β-整联蛋白的缺失在癌症细胞中激活的MAPK-ROCK2途径；以及发现MAPKAPK2作为调节衰老的MTOR下游激酶等[3]。
肿瘤细胞会分泌胞外蛋白进入循环系统，磷酸化后会引起信号通路的变化，这些磷酸化的胞外蛋白可能成为诊疗过程中合适的生物标志物[4]。这些标志物可以用于疾病的早期诊断、预后评估和治疗响应监测，推动精准医学领域的发展。Gerdes等人开发了一种机器学习工作流程，该流程根据磷酸蛋白质组谱对最有效的治疗方法进行排名，在一项针对胆管癌细胞系的独立研究中预测了药物反应，支持基于机器学习的精准医学。很明显，磷酸蛋白质组将成为指导下一代靶向治疗的宝贵信息来源[3]。
蛋白质磷酸化可以在生长素的多个方面发挥重要作用，包括生物合成、运输、信号转导以及与其他信号通路的串扰。研究表明脱落酸与细胞分裂素等激素也是利用蛋白质磷酸化修饰进行信号转导，在植物生长发育过程中发挥着关键作用[5]。
非生物（干旱、洪水、温度等）和生物胁迫（真菌、细菌、病毒等）都会对植物生长发育构成重大威胁。蛋白质磷酸化作为胁迫响应的分子开关，参与调节了植物对环境变化做出快速反应。
在非生物胁迫情况下，应激激素ABA、信号中枢MAPK、钙依赖性蛋白激酶CPKs和盐敏感响应因子SOS均发挥着重要作用，这些因子相应的信号转导主要依赖于一系列磷酸化反应。生物胁迫中，植物体内触发包括快速受体样细胞质激酶(RLCK)磷酸化、MAPK级联激活、活性氧(ROS)爆发和防御激素的产生等，以上过程都有磷酸化的参与[5]。
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参考文献
[1] 江波,高博,魏淑娴,等.蛋白质N-磷酸化修饰富集方法进展[J].色谱,2024,42(07):623-631.
[2] 李佳然,陈秀兰,杨福全.磷酸化蛋白质组学研究中磷酸化肽段富集与分离方法研究进展[J].生物工程学报,2022,38(10):3648-3658.DOI:10.13345/j.cjb.220599.
[3] Higgins L, Gerdes H, Cutillas PR. Principles of phosphoproteomics and applications in cancer research. Biochem J. 2023;480(6):403-420. doi:10.1042/BCJ20220220
[4] 武维新,严佳,谭喜莹,等.磷酸化蛋白质组学富集策略进展及其在疾病研究中的应用[J].中国药科大学学报,2016,47(01):19-29.
[5] Zhang WJ, Zhou Y, Zhang Y, Su YH, Xu T. Protein phosphorylation: A molecular switch in plant signaling. Cell Rep. 2023;42(7):112729. doi:10.1016/j.celrep.2023.112729
