CDK2活性对ERK和p38 KTR信号的干扰及其计算方法

近日，由Timothy E. Hoffman、Chengzhe Tian、Varuna Nangia等作者发表在《Cell Systems》上的一篇论文，揭示了细胞周期依赖性激酶2（CDK2）对ERK（细胞外信号调节激酶）和p38信号通路中激酶转位报告（KTR）的干扰现象，并提出了通过计算方法消除这种干扰的技术。该研究不仅为理解细胞信号传导的复杂性提供了新的视角，还为未来的相关研究提供了重要的工具和方法。

研究背景

MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）通路在细胞生长、分化和存活中扮演着至关重要的角色。其中，ERK和p38信号通路分别响应生长因子和应激信号，调控细胞的增殖和应激反应。为了实时监测ERK和p38的活性，研究人员开发了激酶转位报告（KTR）系统，该系统通过荧光蛋白在细胞核和细胞质之间的转位来反映激酶的活性。然而，最近的研究表明，这些KTR系统可能受到了其他激酶的干扰，特别是CDK2。CDK2是细胞周期调控中的关键激酶，它的活性在细胞周期中逐渐增加，这可能会导致KTR信号的误读。

尽管研究人员已经意识到KTR系统可能存在交叉干扰问题，但此前的研究主要集中在CDK1的干扰上。CDK2的干扰问题尚未得到充分研究，尤其是在MAPK通路被完全抑制的情况下，ERK KTR信号中仍存在残留信号。本研究的目的是揭示CDK2对ERK和p38 KTR信号的干扰，并提出计算方法来消除这种干扰。

研究人员及发表信息

该研究由美国科罗拉多大学博尔德分校生物化学与生物前沿研究所的Sabrina L. Spencer团队主导，其他合作者来自约翰霍普金斯大学医学院和基因泰克公司。论文于2025年1月15日发表在《Cell Systems》期刊上，题为《CDK2 Activity Crosstalk on the ERK Kinase Translocation Reporter Can Be Resolved Computationally》。

研究流程

实验设计及方法

1. 细胞模型构建
   研究团队首先构建了表达DHB-mCherry（CDK2报告基因）和Elk1-mClover（ERK KTR）的A375 BRAF V600E突变型黑色素瘤细胞。这些细胞还表达了H2B-miFP（核标记物），用于细胞核分割和单细胞追踪。通过时间延迟成像，研究人员能够实时量化ERK KTR信号的变化。

2. 药物处理与信号观察
   研究人员用Dabrafenib（BRAF抑制剂）处理A375细胞，观察到ERK KTR信号的快速下降，但发现残留信号仍然存在。为了进一步验证这种现象，他们用Trametinib（MEK抑制剂）和SCH772984（ERK抑制剂）处理细胞，发现残留信号依然存在。这表明，即使在MAPK通路被完全抑制的情况下，ERK KTR信号仍存在。

3. CDK2抑制剂验证
   为了验证残留信号是否来自CDK2的干扰，研究人员用选择性CDK2抑制剂PF3600和PF4091处理细胞，发现残留信号被完全消除。这证明了残留信号确实来自CDK2的交叉干扰。

4. FRET传感器验证
   为了进一步验证这一发现，研究人员使用了改进的FRET（荧光共振能量转移）传感器EKARen5，该传感器已被修改以减少CDK1的敏感性。结果显示，EKARen5传感器没有受到CDK2的干扰，进一步支持了CDK2对ERK KTR信号的干扰。

5. p38 KTR的干扰研究
   研究人员还测试了p38 KTR，发现它同样受到CDK2的干扰。通过使用CDK2抑制剂，他们成功地消除了p38 KTR信号中的残留信号。

6. 计算方法开发
   为了消除CDK2对ERK和p38 KTR信号的干扰，研究人员开发了线性和非线性计算方法。这些方法通过从ERK和p38 KTR信号中减去CDK2信号，从而更准确地量化MAPK的活性。

主要结果

1. MAPK抑制后ERK KTR信号残留
   在MAPK通路被完全抑制的情况下，ERK KTR信号中仍然存在残留信号，这一现象与CDK2活性高度相关。

2. CDK2抑制剂消除残留信号
   通过使用选择性CDK2抑制剂PF3600和PF4091，研究人员成功地消除了ERK KTR信号中的残留信号，证实了CDK2的干扰。

3. EKARen5传感器无CDK2干扰
   改进的FRET传感器EKARen5没有受到CDK2的干扰，表明通过修改传感器可以避免CDK2的交叉干扰。

4. p38 KTR同样受到CDK2干扰
   p38 KTR信号中也存在CDK2的干扰，但通过CDK2抑制剂可以消除这种干扰。

5. 计算方法消除CDK2干扰
   研究人员开发了线性和非线性计算方法，能够从ERK和p38 KTR信号中减去CDK2信号，从而更准确地量化MAPK的活性。

研究结论

该研究揭示了CDK2对ERK和p38 KTR信号的干扰现象，并提出了通过计算方法消除这种干扰的技术。这一发现不仅为理解细胞信号传导的复杂性提供了新的视角，还为未来的相关研究提供了重要的工具和方法。通过改进传感器和开发计算方法，研究人员能够更准确地监测ERK和p38的活性，从而推动细胞信号传导研究的深入发展。

研究亮点

1. CDK2对KTR信号的干扰
   该研究首次系统性地揭示了CDK2对ERK和p38 KTR信号的干扰现象，填补了此前研究的空白。

2. 改进的FRET传感器
   改进的FRET传感器EKARen5展示了避免CDK2干扰的潜力，为未来的传感器设计提供了新的思路。

3. 计算方法的创新
   研究人员开发的线性和非线性计算方法为消除KTR信号中的交叉干扰提供了有效的解决方案，具有广泛的应用前景。

研究意义

该研究不仅在科学上具有重要意义，还为细胞信号传导研究提供了新的技术手段。通过揭示CDK2对KTR信号的干扰，研究人员能够更准确地监测ERK和p38的活性，从而为细胞周期调控、癌症治疗等领域的研究提供了新的工具。此外，改进的传感器和计算方法也为未来的相关研究提供了重要的参考。

该研究不仅解决了KTR系统中的交叉干扰问题，还为细胞信号传导研究开辟了新的方向。通过不断改进和优化研究工具，研究人员将能够更深入地理解细胞信号传导的复杂机制，从而为疾病治疗和新药开发提供重要的理论支持。