Phân tích Bayesian dữ liệu phosphoproteomic động xác định các kinase protein trung gian đáp ứng GPCR

Cell Communication and Signaling - Tập 20 Số 1 - 2022
Kirby T. Leo1, Chung‐Lin Chou1, Chin‐Rang Yang1, Euijung Park1, Viswanathan Raghuram1, Mark A. Knepper1
1Epithelial Systems Biology Laboratory, Systems Biology Center, National Heart, Lung, and Blood Institute, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA

Tóm tắt

Tóm tắtGiới thiệuMột mục tiêu chính trong việc phát hiện các mạng tín hiệu tế bào là xác định các vị trí phosphorylation được điều chỉnh (“phosphosites”) và lập bản đồ chúng đến các protein kinase chịu trách nhiệm. Thụ thể vasopressin V2 là một thụ thể GPCR (thụ thể nối G-protein) chịu trách nhiệm điều chỉnh sự bài tiết nước ở thận thông qua việc kiểm soát vận chuyển nước thẩm thấu trung gian aquaporin-2 trong các tế bào ống góp thận. Các thí nghiệm chỉnh sửa genome đã chứng minh rằng hầu như tất cả các thay đổi phosphorylation do vasopressin kích hoạt đều phụ thuộc vào protein kinase A (PKA), nhưng các sự kiện xảy ra tiếp theo PKA vẫn còn mờ mịt.Phương phápTại đây, chúng tôi đã sử dụng: 1) Tối ưu hóa phosphoproteomics định lượng dựa trên nhãn khối lượng tandem để theo dõi thực nghiệm sự thay đổi phosphorylation theo thời gian trong các ống góp nguyên bản được tách ra từ thận chuột; 2) một thuật toán phân cụm để phân loại dữ liệu theo thời gian dựa trên các thay đổi phong phú và các chuỗi axit amin xung quanh các vị trí phosphorylation; và 3) Định lý Bayes để tích hợp dữ liệu phosphorylation động với nhiều bộ dữ liệu “omic” trước đó bao gồm biểu hiện, vị trí trong tế bào, hoạt động kinase đã biết và các chuỗi xung quanh đặc trưng nhằm xác định một bộ protein kinase được điều chỉnh thứ cấp cho việc kích hoạt PKA.Kết quảCác nghiên cứu phosphoproteomic đã tiết lộ 185 vị trí phosphorylation được điều chỉnh bởi vasopressin trong 15 phút. Các nhóm kết quả từ thuật toán phân cụm đã được tích hợp với Định lý Bayes để tạo ra các danh sách kinase xếp hạng tương ứng có khả năng chịu trách nhiệm cho mỗi nhóm. Các kinase hàng đầu thiết lập ba mô-đun protein kinase phụ thuộc vào PKA mà việc điều chỉnh của chúng làm trung gian các tác động sinh lý của vasopressin ở mức tế bào. Ba mô-đun này là 1) một con đường liên quan đến một số protein kinase phụ thuộc Rho/Rac/Cdc42 kiểm soát động lực học cytoskeleton actin; 2) con đường kinase được kích hoạt bởi mitogen và kinase phụ thuộc cyclin kiểm soát sự phát triển của tế bào; và 3) tín hiệu phụ thuộc canxi/calmolulin.Kết luậnNhững phát hiện của chúng tôi xác định một bộ hiệu ứng GTPase nhỏ và kinase phụ thuộc canxi/calmolulin mới với vai trò tiềm năng trong việc điều chỉnh tính thấm nước thông qua tái cấu trúc cytoskeleton actin và vận chuyển aquaporin-2. Mạng lưới tín hiệu được đề xuất cung cấp một giả thuyết mạnh mẽ hơn cho các kinase làm trung gian đáp ứng của thụ thể vasopressin V2, khuyến khích việc kiểm tra nhắm mục tiêu trong tương lai thông qua các phương pháp chống giảm. Hơn nữa, phân tích Bayesian được mô tả ở đây cung cấp một mẫu cho việc điều tra tín hiệu thông qua các hệ thống sinh học và GPCR khác.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Miller ML, Jensen LJ, Diella F, Jorgensen C, Tinti M, Li L, Hsiung M, Parker SA, Bordeaux J, Sicheritz-Ponten T, et al. Linear motif atlas for phosphorylation-dependent signaling. Sci Signal. 2008;1:ra2.

Olsen JV, Blagoev B, Gnad F, Macek B, Kumar C, Mortensen P, Mann M. Global, in vivo, and site-specific phosphorylation dynamics in signaling networks. Cell. 2006;127:635–48.

Tan CS, Bodenmiller B, Pasculescu A, Jovanovic M, Hengartner MO, Jorgensen C, Bader GD, Aebersold R, Pawson T, Linding R. Comparative analysis reveals conserved protein phosphorylation networks implicated in multiple diseases. Sci Signal. 2009;2:ra39.

Mann M, Ong SE, Gronborg M, Steen H, Jensen ON, Pandey A. Analysis of protein phosphorylation using mass spectrometry: deciphering the phosphoproteome. Trends Biotechnol. 2002;20:261–8.

Borgnia M, Nielsen S, Engel A, Agre P. Cellular and molecular biology of the aquaporin water channels. Annu Rev Biochem. 1999;68:425–58.

Cheung PW, Bouley R, Brown D. Targeting the trafficking of kidney water channels for therapeutic benefit. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2020;60:175–94.

Knepper MA. Molecular physiology of urinary concentrating mechanism: regulation of aquaporin water channels by vasopressin. Am J Physiol. 1997;272:F3-12.

Knepper MA, Kwon TH, Nielsen S. Molecular physiology of water balance. N Engl J Med. 2015;372:1349–58.

Kwon TH, Frokiaer J, Nielsen S. Regulation of aquaporin-2 in the kidney: a molecular mechanism of body-water homeostasis. Kidney Res Clin Pract. 2013;32:96–102.

Nielsen S, Frokiaer J, Marples D, Kwon TH, Agre P, Knepper MA. Aquaporins in the kidney: from molecules to medicine. Physiol Rev. 2002;82:205–44.

Fushimi K, Sasaki S, Marumo F. Phosphorylation of serine 256 is required for cAMP-dependent regulatory exocytosis of the aquaporin-2 water channel. J Biol Chem. 1997;272:14800–4.

Katsura T, Gustafson CE, Ausiello DA, Brown D. Protein kinase A phosphorylation is involved in regulated exocytosis of aquaporin-2 in transfected LLC-PK1 cells. Am J Physiol. 1997;272:F817-822.

Nielsen S, Chou CL, Marples D, Christensen EI, Kishore BK, Knepper MA. Vasopressin increases water permeability of kidney collecting duct by inducing translocation of aquaporin-CD water channels to plasma membrane. Proc Natl Acad Sci U S A. 1995;92:1013–7.

DiGiovanni SR, Nielsen S, Christensen EI, Knepper MA. Regulation of collecting duct water channel expression by vasopressin in Brattleboro rat. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994;91:8984–8.

Hasler U, Mordasini D, Bens M, Bianchi M, Cluzeaud F, Rousselot M, Vandewalle A, Feraille E, Martin PY. Long term regulation of aquaporin-2 expression in vasopressin-responsive renal collecting duct principal cells. J Biol Chem. 2002;277:10379–86.

Sandoval PC, Claxton JS, Lee JW, Saeed F, Hoffert JD, Knepper MA. Systems-level analysis reveals selective regulation of Aqp2 gene expression by vasopressin. Sci Rep. 2016;6:34863.

Hoffert JD, Chou CL, Fenton RA, Knepper MA. Calmodulin is required for vasopressin-stimulated increase in cyclic AMP production in inner medullary collecting duct. J Biol Chem. 2005;280:13624–30.

Roos KP, Strait KA, Raphael KL, Blount MA, Kohan DE. Collecting duct-specific knockout of adenylyl cyclase type VI causes a urinary concentration defect in mice. Am J Physiol Renal Physiol. 2012;302:F78-84.

Star RA, Nonoguchi H, Balaban R, Knepper MA. Calcium and cyclic adenosine monophosphate as second messengers for vasopressin in the rat inner medullary collecting duct. J Clin Invest. 1988;81:1879–88.

Isobe K, Jung HJ, Yang CR, Claxton J, Sandoval P, Burg MB, Raghuram V, Knepper MA. Systems-level identification of PKA-dependent signaling in epithelial cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114:E8875–84.

Datta A, Yang CR, Salhadar K, Park E, Chou CL, Raghuram V, Knepper MA. Phosphoproteomic identification of vasopressin-regulated protein kinases in collecting duct cells. Br J Pharmacol. 2021;178:1426–44.

Deshpande V, Kao A, Raghuram V, Datta A, Chou CL, Knepper MA. Phosphoproteomic identification of vasopressin V2 receptor-dependent signaling in the renal collecting duct. Am J Physiol Renal Physiol. 2019;317:F789–804.

Bansal AD, Hoffert JD, Pisitkun T, Hwang S, Chou CL, Boja ES, Wang G, Knepper MA. Phosphoproteomic profiling reveals vasopressin-regulated phosphorylation sites in collecting duct. J Am Soc Nephrol. 2010;21:303–15.

Hoffert JD, Pisitkun T, Wang G, Shen RF, Knepper MA. Quantitative phosphoproteomics of vasopressin-sensitive renal cells: regulation of aquaporin-2 phosphorylation at two sites. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103:7159–64.

Rinschen MM, Yu MJ, Wang G, Boja ES, Hoffert JD, Pisitkun T, Knepper MA. Quantitative phosphoproteomic analysis reveals vasopressin V2-receptor-dependent signaling pathways in renal collecting duct cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010;107:3882–7.

Bradford D, Raghuram V, Wilson JL, Chou CL, Hoffert JD, Knepper MA, Pisitkun T. Use of LC-MS/MS and Bayes’ theorem to identify protein kinases that phosphorylate aquaporin-2 at Ser256. Am J Physiol Cell Physiol. 2014;307:C123-139.

Kikuchi H, Jung HJ, Raghuram V, Leo KT, Park E, Yang CR, Chou CL, Chen L, Knepper MA. Bayesian identification of candidate transcription factors for the regulation of Aqp2 gene expression. Am J Physiol Renal Physiol. 2021;321:F389–401.

LeMaire SM, Raghuram V, Grady CR, Pickering CM, Chou CL, Umejiego EN, Knepper MA. Serine/threonine phosphatases and aquaporin-2 regulation in renal collecting duct. Am J Physiol Renal Physiol. 2017;312:F84–95.

Xue Z, Chen JX, Zhao Y, Medvar B, Knepper MA. Data integration in physiology using Bayes’ rule and minimum Bayes’ factors: deubiquitylating enzymes in the renal collecting duct. Physiol Genomics. 2017;49:151–9.

Chou CL, Rapko SI, Knepper MA. Phosphoinositide signaling in rat inner medullary collecting duct. Am J Physiol. 1998;274:F564-572.

Stokes JB, Grupp C, Kinne RK. Purification of rat papillary collecting duct cells: functional and metabolic assessment. Am J Physiol. 1987;253:F251-262.

Perez-Riverol Y, Bai J, Bandla C, Garcia-Seisdedos D, Hewapathirana S, Kamatchinathan S, Kundu DJ, Prakash A, Frericks-Zipper A, Eisenacher M, et al. The PRIDE database resources in 2022: a hub for mass spectrometry-based proteomics evidences. Nucleic Acids Res. 2022;50:D543–52.

Saethang T, Hodge K, Yang CR, Zhao Y, Kimkong I, Knepper MA, Pisitkun T. PTM-Logo: a program for generation of sequence logos based on position-specific background amino-acid probabilities. Bioinformatics. 2019;35:5313–4.

Manning G, Whyte DB, Martinez R, Hunter T, Sudarsanam S. The protein kinase complement of the human genome. Science. 2002;298:1912–34.

Chen L, Chou CL, Knepper MA. A comprehensive map of mRNAs and their isoforms across all 14 renal tubule segments of mouse. J Am Soc Nephrol. 2021;32:897–912.

Limbutara K, Chou CL, Knepper MA. Quantitative proteomics of all 14 renal tubule segments in rat. J Am Soc Nephrol. 2020;31:1255–66.

Goodman SN. Toward evidence-based medical statistics. 2: The Bayes factor. Ann Intern Med. 1999;130:1005–13.

Sugiyama N, Imamura H, Ishihama Y. Large-scale discovery of substrates of the human kinome. Sci Rep. 2019;9:10503.

Yang CR, Tongyoo P, Emamian M, Sandoval PC, Raghuram V, Knepper MA. Deep proteomic profiling of vasopressin-sensitive collecting duct cells. I. Virtual Western blots and molecular weight distributions. Am J Physiol Cell Physiol. 2015;309:C785-798.

Hornbeck PV, Zhang B, Murray B, Kornhauser JM, Latham V, Skrzypek E. PhosphoSitePlus, 2014: mutations, PTMs and recalibrations. Nucleic Acids Res. 2015;43:D512-520.

da Huang W, Sherman BT, Lempicki RA. Systematic and integrative analysis of large gene lists using DAVID bioinformatics resources. Nat Protoc. 2009;4:44–57.

Pinna LA, Ruzzene M. How do protein kinases recognize their substrates? Biochim Biophys Acta. 1996;1314:191–225.

Douglass J, Gunaratne R, Bradford D, Saeed F, Hoffert JD, Steinbach PJ, Knepper MA, Pisitkun T. Identifying protein kinase target preferences using mass spectrometry. Am J Physiol Cell Physiol. 2012;303:C715-727.

Zhu G, Fujii K, Belkina N, Liu Y, James M, Herrero J, Shaw S. Exceptional disfavor for proline at the P + 1 position among AGC and CAMK kinases establishes reciprocal specificity between them and the proline-directed kinases. J Biol Chem. 2005;280:10743–8.

Chou CL, Christensen BM, Frische S, Vorum H, Desai RA, Hoffert JD, de Lanerolle P, Nielsen S, Knepper MA. Non-muscle myosin II and myosin light chain kinase are downstream targets for vasopressin signaling in the renal collecting duct. J Biol Chem. 2004;279:49026–35.

Hays RM, Franki N, Simon H, Gao Y. Antidiuretic hormone and exocytosis: lessons from neurosecretion. Am J Physiol. 1994;267:C1507-1524.

Klussmann E, Tamma G, Lorenz D, Wiesner B, Maric K, Hofmann F, Aktories K, Valenti G, Rosenthal W. An inhibitory role of Rho in the vasopressin-mediated translocation of aquaporin-2 into cell membranes of renal principal cells. J Biol Chem. 2001;276:20451–7.

Loo CS, Chen CW, Wang PJ, Chen PY, Lin SY, Khoo KH, Fenton RA, Knepper MA, Yu MJ. Quantitative apical membrane proteomics reveals vasopressin-induced actin dynamics in collecting duct cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013;110:17119–24.

Salhadar K, Matthews A, Raghuram V, Limbutara K, Yang CR, Datta A, Chou CL, Knepper MA. Phosphoproteomic Identification of Vasopressin/cAMP/Protein Kinase A-dependent signaling in kidney. Mol Pharmacol. 2021;99:358–69.

Simon H, Gao Y, Franki N, Hays RM. Vasopressin depolymerizes apical F-actin in rat inner medullary collecting duct. Am J Physiol. 1993;265:C757-762.

Tamma G, Klussmann E, Maric K, Aktories K, Svelto M, Rosenthal W, Valenti G. Rho inhibits cAMP-induced translocation of aquaporin-2 into the apical membrane of renal cells. Am J Physiol Renal Physiol. 2001;281:F1092-1101.

Hall A. Ras-related GTPases and the cytoskeleton. Mol Biol Cell. 1992;3:475–9.

Ridley AJ. Rho-related proteins: actin cytoskeleton and cell cycle. Curr Opin Genet Dev. 1995;5:24–30.

Tapon N, Hall A. Rho, Rac and Cdc42 GTPases regulate the organization of the actin cytoskeleton. Curr Opin Cell Biol. 1997;9:86–92.

Pisitkun T, Jacob V, Schleicher SM, Chou CL, Yu MJ, Knepper MA. Akt and ERK1/2 pathways are components of the vasopressin signaling network in rat native IMCD. Am J Physiol Renal Physiol. 2008;295:F1030-1043.

Yamaguchi T, Nagao S, Wallace DP, Belibi FA, Cowley BD, Pelling JC, Grantham JJ. Cyclic AMP activates B-Raf and ERK in cyst epithelial cells from autosomal-dominant polycystic kidneys. Kidney Int. 2003;63:1983–94.

Yamaguchi T, Pelling JC, Ramaswamy NT, Eppler JW, Wallace DP, Nagao S, Rome LA, Sullivan LP, Grantham JJ. cAMP stimulates the in vitro proliferation of renal cyst epithelial cells by activating the extracellular signal-regulated kinase pathway. Kidney Int. 2000;57:1460–71.

Champigneulle A, Siga E, Vassent G, Imbert-Teboul M. V2-like vasopressin receptor mobilizes intracellular Ca2+ in rat medullary collecting tubules. Am J Physiol. 1993;265:F35-45.

Chou CL, Yip KP, Michea L, Kador K, Ferraris JD, Wade JB, Knepper MA. Regulation of aquaporin-2 trafficking by vasopressin in the renal collecting duct. Roles of ryanodine-sensitive Ca2+ stores and calmodulin. J Biol Chem. 2000;275:36839–46.

Yip KP. Coupling of vasopressin-induced intracellular Ca2+ mobilization and apical exocytosis in perfused rat kidney collecting duct. J Physiol. 2002;538:891–9.

Soulsby MD, Wojcikiewicz RJ. The type III inositol 1,4,5-trisphosphate receptor is phosphorylated by cAMP-dependent protein kinase at three sites. Biochem J. 2005;392:493–7.

Wojcikiewicz RJ, Luo SG. Phosphorylation of inositol 1,4,5-trisphosphate receptors by cAMP-dependent protein kinase. Type I, II, and III receptors are differentially susceptible to phosphorylation and are phosphorylated in intact cells. J Biol Chem. 1998;273:5670–7.

Yang CR, Raghuram V, Emamian M, Sandoval PC, Knepper MA. Deep proteomic profiling of vasopressin-sensitive collecting duct cells. II. Bioinformatic analysis of vasopressin signaling. Am J Physiol Cell Physiol. 2015;309:C799-812.

Al-Bataineh MM, Li H, Ohmi K, Gong F, Marciszyn AL, Naveed S, Zhu X, Neumann D, Wu Q, Cheng L, et al. Activation of the metabolic sensor AMP-activated protein kinase inhibits aquaporin-2 function in kidney principal cells. Am J Physiol Renal Physiol. 2016;311:F890–900.

Klein JD, Khanna I, Pillarisetti R, Hagan RA, LaRocque LM, Rodriguez EL, Sands JM. An AMPK activator as a therapeutic option for congenital nephrogenic diabetes insipidus. JCI Insight. 2021;6(8):e146419.

Nofziger C, Kalsi K, West TA, Baines D, Blazer-Yost BL. Vasopressin regulates the phosphorylation state of AMP-activated protein kinase (AMPK) in MDCK-C7 cells. Cell Physiol Biochem. 2008;22:487–96.

Raghuram V, Salhadar K, Limbutara K, Park E, Yang CR, Knepper MA. Protein kinase A catalytic-alpha and catalytic-beta proteins have nonredundant regulatory functions. Am J Physiol Renal Physiol. 2020;319:F848–62.

Isobe K, Raghuram V, Krishnan L, Chou CL, Yang CR, Knepper MA. CRISPR-Cas9/phosphoproteomics identifies multiple noncanonical targets of myosin light chain kinase. Am J Physiol Renal Physiol. 2020;318:F600–16.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Cell Communication and Signaling

Tập 20 Số 1

Thông tin tác giả