蛋白质翻译后修饰简介

秦四哥

                              

1蛋白质翻译后修饰的概念

蛋白质翻译后修饰（PTMs)是指蛋白质翻译后的化学修饰。PTMs是一个复杂的过程，几乎参与细胞所有的生命活动过程，发挥着重要的调控作用，例如，人体内50%~90%的蛋白质发生翻译后的修饰。蛋白质翻译后修饰在蛋白质成熟过程中发挥着重要的调控功能，其使蛋白质类型增多，结构更复杂、调控更精确、作用更专一、功能更完善。科学家已发现人类蛋白质组的复杂程度远远胜过人类基因组。人类基因组估计包含2万~2.5万个基因，而在人类蛋白质组中的蛋白数目估计超过1亿。

2常见的蛋白质翻译后修饰类型及其生物学功能

研究表明，目前已经确定的翻译后修饰方式超过400种，常见的修饰方式包括泛素化、磷酸化、乙酰化、糖基化、甲基化和脂基化。

2.1泛素化

蛋白质泛素化修饰是指通过泛素-蛋白酶系统（UPS)介导参与的调节蛋白质降解的过程，普遍存在于真核细胞中。

泛素（由76个氨基酸构成的小分子多肽，于1975年首次从小牛的胰脏中分离，后在除细菌外的多种有机体中被发现）参与生命活动的调节包括经典途径和非经典途径，前者是泛素介导的蛋白质降解途径；后者是指泛素参与细胞内定位、炎性反应、转运过程及DNA修复等生理活动。这两条途径都存在着泛素化和去泛素化过程。泛素化蛋白质降解过程需要3种酶参与：泛素激活酶（E1)、泛素结合酶（E2)和泛素蛋白质连接酶（E3)。

泛素化的过程大致如下：①形成硫脂键：E1的半觥氨酸活性部位与泛素C末端的甘氨酸在消耗ATP的作用下形成硫脂键；②泛素转移：连接在E1上的泛素被转移到E2的半觥氨酸的活性位点；③与底物结合：在E3的催化作用下，泛素C末端与底物上的赖氨酸ε-氨基结合；④降解：泛素蛋白最后被转运到蛋白酶体中完全降解。

蛋白质泛素化对于细胞分化、调控、生物合成、凋亡、免疫应答和应激反应等生理过程都起着很重要的作用。研究表明，泛素-蛋白酶体抑制剂MG-132能够显著抑制消化道肿瘤细胞的增殖并诱导其凋亡，从而抑制癌细胞的扩散；人类神经退行性疾病如老年痴呆、帕金森症等与蛋白质泛素化异常有关，当病变神经细胞中泛素-蛋白酶体经典途径出现障碍或过载时，蛋白质不能及时被降解，导致细胞内异常蛋白质聚集，从而形成包涵体引起各类神经变性疾病；泛素与相关基因融合表达可增强细胞免疫反应。

2.2磷酸化

蛋白质磷酸化是指蛋白质在磷酸化激酶的催化作用下把ATP或GTP的γ位磷酸基转移到蛋白质的特定位点氨基酸残基上的过程。磷酸化是一种非常重要且广泛存在于原核生物和真核生物中的翻译后修饰调控方式，细胞内至少有30%的蛋白质被磷酸化修饰。

根据磷酸化发生位点侧链基团的不同，可将磷酸化蛋白质分为4类，即O-磷酸盐蛋白质、N-磷酸盐蛋白质、酰基-磷酸盐蛋白质和S-磷酸盐蛋白质。不同的氨基酸残基磷酸化过程所需的蛋白激酶是不一样的，研究发现至少有500种以上。

蛋白质磷酸化修饰参与生命活动的各种生理和病理过程，如细胞信号转导、神经活动、肌肉收缩、细胞增殖、发育、分化以及肿瘤发生等。蛋白质磷酸化具有以下功能:①参与重要酶促反应，生成反应中间产物；②磷酸化改变蛋白质活性；③介导独特生理效应，例如天冬氨酸、谷氨酸和组氨酸磷酸化蛋白在细菌趋化反应的感觉性传导过程中发生解离；酪氨酸磷酸化调控信号转导和控制细胞生长;CDKs(属于Ser/Thr激酶）激活Cyclins并形成复合物，从而调控细胞周期线粒体中氧化分解反应中NADPH氧化酶和电子传递链相关蛋白质分子都有磷酸化调控的过程。

2.3乙酰化

蛋白质乙酰化是指蛋白质在乙酰基转移酶（HATs/KATs)的催化下把乙酰基团（如乙酰辅酶A等供体）共价结合到底物蛋白质中氨基酸残基上的过程。蛋白质去乙酰化是在去乙酰化酶（HDACs/KDACs)作用下的可逆性修饰过程。两者共同调节蛋白质中氨基酸的乙酰化修饰。

依据乙酰化位置不同分为两种形式：①Nα乙酰化：是指蛋白质N-末端被乙酰化修饰，这种修饰方式存在于近80%的真核蛋白中，且是不可逆修饰；②Nε乙酰化：这是一种动态、可逆性的修饰方式。对其研究主要集中在赖氨酸残基的乙酰化修饰。研究探明真核生物中有1500多种赖氨酸Nε乙酰化修饰的蛋白质，执行着不同的生物学功能。原核生物中也普遍存在Nε乙酰化修饰。

原核生物乙酰化/去乙酰化情况比较简单，主要原因是其细胞内相关的酶较少。真核生物中乙酰化/去乙酰化情况较为复杂，目前发现乙酰化酶KATs就有5个家族，去乙酰化酶有2个家族。

研究表明乙酰化修饰影响着细胞生理的各个方面，如转录调控、蛋白质降解、细胞代谢、趋化反应及应激反应等。组蛋白乙酰化修饰对染色体结构的影响及转录调控是研究最为深入的领域。近年来，非组蛋白乙酰化修饰研究也取得一定成果，如发现沙门氏菌中代谢酶存在可逆性乙酰化现象，借助乙酰化作用细胞可以灵活的响应环境变化;揭示了蛋白质乙酰化修饰对细胞自噬调控的分子机制。

2.4糖基化

蛋白质糖基化是指在糖基转移酶作用下，将糖类转移至蛋白质或蛋白质上特殊的氨基酸残基共价结合形成糖苷键的过程。蛋白质经过糖基化作用，形成糖蛋白。该修饰方式普遍存于真核细胞中。

蛋白质糖基化按照氨基酸与糖的连接方式可分为4类:①O位糖基化：是指蛋白质的丝氨酸或苏氨酸的自由-OH与糖链共价连接，可发生于高尔基体、细胞核或细胞质中。②N位糖基化：是指蛋白质的天冬氨酸的自由-NH2与糖链共价连接。N位的糖链合成起始于内质网，完成于高尔基体。血浆等体液中蛋白质多发生N位糖基化。③C位甘露糖化：是指一分子α-吡喃甘露糖残基通过C-C键连接到色氨酸吲哚环C-2上。④糖基磷脂酰肌醇（GPI)锚定连接：是指磷脂酰-纤维糖组在靠近蛋白C端部位结合，将蛋白连接到细胞膜上。一些水解酶、黏附蛋白、免疫蛋白、补体调节蛋白等蛋白属于此类糖基化。

蛋白质糖基化在生命体中起着重要的作用，例如，参与免疫保护、信号转导调控、蛋白质翻译调控、蛋白质降解、细胞壁的合成等许多生物过程。很多蛋白如转录因子、核小孔蛋白、热休克蛋白、RNA聚合酶II、致癌基因翻译产物、酶等，都发现存在糖基化这种翻译后修饰方式。研究表明，人体70%的蛋白包含一个或多个糖链，1%的人类基因组参与糖链的合成和修饰。糖基化的铁转移蛋白是一种金属转运血清蛋白，具有间接调节铁离子平衡的作用，但在帕金森病、风湿性关节炎患者体内发现铁转移蛋白糖基化水平过高。

2.5甲基化

蛋白质甲基化是指蛋白质在甲基转移酶的催化下将甲基转移至特定的氨基酸残基上共价结合的过程。甲基化是一种可逆的修饰过程，由去化酶催化去甲基化作用。研究发现，常见甲基化/去甲基化作用的氨基酸主要是赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)。

依据甲基化修饰的底物蛋白的不同，可分为组蛋白Lys/Arg甲基化和非组蛋白Lys/Arg甲基化两种形式。组蛋白赖氨酸甲基化主要发生在组蛋白H3和H4上。组蛋白精氨酸甲基化主要由精氨酸甲基转移酶(PRMMT)家族的成员催化完成，与基因激活有关，而H3和H4精氨酸的甲基化丢失可导致基因沉默。

研究表明，组蛋白赖氨酸甲基化修饰执行着多种生物学功能，如干细胞的维持和分化、X染色体失活、转录调节和DNA损伤反应等，主要是影响染色质浓缩，抑制基因表达。组蛋白精氨酸甲基化在基因转录调控中发挥着重要作用，并能影响细胞的多种生理过程，包括DNA修复、信号转导、细胞发育及癌症发生

2.6脂基化

蛋白质脂基化修饰是指蛋白质在脂基转移酶的催化下将脂质基团与蛋白质共价结合的过程。常见的能与蛋白质共价结合的脂质有脂肪酸、异戊烯类脂质、胆固醇以及糖基磷脂酰肌醇这4类。这些脂质修饰蛋白主要存在于细胞膜、细胞质、细胞核、细胞骨架等部位。

脂质分子与蛋白质的共价结合主要有3种：①N-连接:主要发生在N-末端甘氨酸残基，由特异性豆蔻转移酶（NMT)催化完成，发生在核糖体合成蛋白质过程中，是研究较为清楚的一种翻译后脂修饰。②S-连接：是指脂质与半觥氨酸残基中的基团的共价结合。③O-连接：是指脂质与丝氨酸或苏氨酸残基中0H共价结合生成醚氧键，具有不可逆性。这种脂修饰报道较少。

目前人们对蛋白质翻译后脂修饰的认识还非常有限，对大部分脂修饰蛋白的结构和功能未知或知之不多。但越来越多的实验研究表明，脂修饰在微生物感染、信号转导、免疫调控和肿瘤发生发展过程中起着重要作用。

例如，促凋亡蛋白BID可发生翻译后N-豆蔻修饰，使蛋白定位于线粒体并激活凋亡信号通路，诱发细胞凋亡。由T细胞受体（TCR)介导的信号通路中的相关蛋白CD8β的棕榈化修饰可促使CD8β与脂筏区结合并与P56lck偶联，进而激活T细胞：而衔接蛋白LAT的异常棕榈化修饰则导致T细胞无能，对抗原的再刺激失去增殖反应的能力，从而抑制免疫应答反应。

——陈霞.罗良煌.蛋白质翻译后修饰简介.生物学教学.2017年第2期