康奈尔大学研究人员开发了一种强大的新型生物传感器，该传感器以前所未有的细节揭示了激酶——控制几乎所有细胞过程的酶——在活细胞内部的激活和失活方式及位置。
这项进展为科学家提供了一种新方法，用于研究调控细胞过程的分子开关，包括细胞生长、DNA修复以及细胞对化疗药物和癌症等病理条件的响应。
细胞依赖激酶来控制从细胞代谢、生长到应激反应的各种过程。解析人类细胞中500多种激酶如何协同工作是生物学面临的最大谜题之一。迄今为止，研究人员缺乏可靠的工具来精确观察这些酶在细胞内的作用位置和方式。理解这些精确的信号模式对于了解细胞如何响应药物——以及设计更有效的疗法——至关重要。
这种名为ProKAS（蛋白质组激酶活性传感器）的新技术由农业与生命科学学院及威尔细胞与分子生物学研究所的分子生物学和遗传学教授马库斯·斯莫尔卡实验室研发，并于11月13日发表在《自然·通讯》期刊上。
“鉴于现有技术的挑战，我们彻底重新构想读取激酶活性并提供空间分辨率的方式至关重要，”康奈尔大学研究与创新副教务长马库斯·斯莫尔卡表示。
“在这种情况下，我们使用质谱分析来读取活性，这与当前基于显微镜的细胞激酶追踪技术相比是一种不同的方法。”
马库斯·斯莫尔卡，分子生物学和遗传学教授，农业与生命科学学院及威尔细胞与分子生物学研究所
ProKAS通过使用氨基酸链（称为肽）发挥作用，这些肽经过工程设计以模拟激酶作用的天然蛋白质。每条肽携带一个独特的氨基酸“条形码”，用于标记其在细胞内的位置。当激酶作用于肽时，质谱分析同时检测该作用及其对应的条形码，从而揭示激酶的活性、位置和时间。这使得科学家能够以高精度和速度同时监测细胞多个区域的多种激酶，创建酶活性的空间图谱。
在本研究中，斯莫尔卡团队使用带条形码的肽监测细胞对一系列诱导DNA损伤的抗癌药物的响应过程中的激酶活性。
“这里的一个关键创新是使用条形码，它曾在基因组学中用于研究DNA，但这是我们首次将其应用于蛋白质，”斯莫尔卡说。“这种方法让我们能够同时追踪多种激酶，并精确观察它们在细胞内的作用时间和位置，提供了以往无法实现的激酶信号传导细节。”
利用ProKAS，研究人员能够追踪响应DNA损伤的激酶活动，精确观察它们在细胞内部（包括细胞核特定区域）何时何地被激活。他们观察到关键DNA损伤响应激酶（如ATR、ATM和CHK1）随时间的反应，揭示了以往无法测量的区域活性差异。该系统还能快速处理多个样本，表明其可扩展用于更大规模的研究。
斯莫尔卡表示，团队目前已能在单次30分钟的质谱分析中分析36个样本。
“我们已经在扩大规模，”论文第一作者、斯莫尔卡实验室前研究员威尔·康斯托克（2025届博士）说。“我们将样本量提升至数百个，未来的目标是能够分析数百甚至数千个样本。”
ProKAS的设计还使其适用于研究其他人类激酶。斯莫尔卡表示，未来该技术可帮助科学家探索研究不足的激酶，并协助制药研究人员识别影响疾病过程中激酶活性的新药物。
“对于希望了解试验药物影响的制药公司来说，这是一种高通量实现方式，”斯莫尔卡说。“研究人员可以快速筛选并确定药物作用机制。我认为这具有巨大价值。”
展望未来，团队计划将ProKAS与计算设计工具、扩展肽库和其他方法相结合，以深化对激酶如何塑造细胞行为的理解。
除康斯托克外，合著者还包括斯莫尔卡实验室的迪安娜·V·梅比（2023届博士）、罗伊塞奥（2026届）、博士生马泰乌什·瓦格纳、博士后研究员王英政以及研究助理马科斯·V·A·S·纳瓦罗。本研究由美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会资助。
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