康奈尔大学研究人员开发了一种强大的新型生物传感器，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——如何在活细胞内开启和关闭。
这一进展为科学家提供了一种研究调节细胞过程的分子开关的新方法，包括细胞生长和DNA修复，以及细胞对化疗药物和癌症等病理条件的反应。
细胞依靠激酶来控制从细胞代谢和生长到应激反应的各种过程。解开人类细胞中500多种激酶如何协同工作是生物学最大的谜题之一。到目前为止，研究人员缺乏强大的工具来准确观察这些酶在细胞内部的作用位置和方式。理解这些精确的信号模式是了解细胞如何对药物产生反应的关键——也是设计更有效疗法的关键。
这项新技术被称为ProKAS（蛋白质组激酶活性传感器），由农业与生命科学学院和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Marcus Smolka实验室在11月13日发表在《Nature Communications》上的一项研究中进行了描述。
康奈尔大学研究与创新副院长Smolka表示："鉴于当前技术的挑战，我们完全重新构想如何读取激酶活性并提供空间分辨率非常重要。在这种情况下，我们使用质谱法来读取活性，这与当前使用的基于显微镜的技术相比，是一种追踪细胞内激酶作用的不同方法。"
ProKAS的工作原理是使用氨基酸链（称为肽），这些肽经过工程设计以模仿激酶作用的天然蛋白质。每个肽都携带一个独特的氨基酸"条形码"，标记其在细胞内的位置。当激酶作用于肽时，质谱法会同时检测到该作用及其对应的条形码，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。
在这项研究中，Smolka的团队使用带条形码的肽来监测细胞对一系列诱导DNA损伤的抗癌药物反应过程中的激酶活性。
Smolka说："这里的关键创新之一是使用条形码，条形码已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。这种方法让我们能够同时跟踪多种激酶，并准确了解它们在细胞内部何时何地发挥作用，提供了以前不可能达到的激酶信号细节水平。"
使用ProKAS，研究人员能够追踪对DNA损伤作出反应的激酶的作用，准确了解它们在细胞内部（包括细胞核的特定部分）何时何地变得活跃。他们观察了关键的DNA损伤反应激酶（如ATR、ATM和CHK1）随时间的反应，揭示了以前无法测量的区域活动差异。该系统还快速处理了许多样本，表明它可以扩展用于更大规模的研究。
Smolka表示，该团队已经可以在一次30分钟的质谱运行中分析36个样本。
论文第一作者、Smolka实验室前研究人员Will Comstock（2025届博士）表示："我们已经在扩大规模。我们将处理数百个样本，未来的目标是能够分析数百甚至数千个样本。"
Smolka表示，ProKAS的设计也使其适用于研究其他人类激酶。未来，该技术可以帮助科学家探索研究不足的激酶，并帮助制药研究人员识别影响疾病过程中激酶活性的新药物。
Smolka说："对于想要了解试验药物影响的制药公司来说，这将是一种高通量的方式。研究人员可以快速筛选并确定药物作用机制。我认为这具有巨大的价值。"
展望未来，该团队计划将ProKAS与计算设计工具、扩展的肽库和其他方法相结合，以加深对激酶如何塑造细胞行为的理解。
除了Comstock之外，合著者还包括Smolka实验室的Deanna V. Maybee（2023届博士）、Yiseo Rho（2026届）、博士生Mateusz Wagner和博士后研究员Yingzheng Wang；以及研究助理Marcos V.A.S. Navarro。该研究由美国国家卫生研究院和美国国家科学基金会资助。
Stephen D'Angelo是康奈尔大学研究与创新部门的生物系统通讯经理。
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