蛋白質翻譯后修飾簡介

陳 霞 羅良煌

(江西省泰和中學 343700)

1 蛋白質翻譯后修飾的概念

蛋白質翻譯后修飾(PTMs)是指蛋白質翻譯后的化學修飾。PTMs是一個復雜的過程，幾乎參與細胞所有的生命活動過程，發(fā)揮著重要的調控作用，例如，人體內50%～90%的蛋白質發(fā)生翻譯后的修飾。蛋白質翻譯后修飾在蛋白質成熟過程中發(fā)揮著重要的調控功能，其使蛋白質類型增多，結構更復雜、調控更精確、作用更專一、功能更完善?？茖W家已發(fā)現(xiàn)人類蛋白質組的復雜程度遠遠勝過人類基因組。人類基因組估計包含 2萬～2.5萬個基因[1]，而在人類蛋白質組中的蛋白數(shù)目估計超過1 億[2]。

2 常見的蛋白質翻譯后修飾類型及其生物學功能

研究表明，目前已經(jīng)確定的翻譯后修飾方式超過400種，常見的修飾方式包括泛素化、磷酸化、乙酰化、糖基化、甲基化和脂基化。

2.1 泛素化 蛋白質泛素化修飾是指通過泛素-蛋白酶系統(tǒng)(UPS)介導參與的調節(jié)蛋白質降解的過程，普遍存在于真核細胞中。

泛素(由76個氨基酸構成的小分子多肽，于1975年首次從小牛的胰臟中分離，后在除細菌外的多種有機體中被發(fā)現(xiàn))參與生命活動的調節(jié)包括經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑，前者是泛素介導的蛋白質降解途徑；后者是指泛素參與細胞內定位、炎性反應、轉運過程及DNA修復等生理活動。這兩條途徑都存在著泛素化和去泛素化過程。泛素化蛋白質降解過程需要3種酶參與：泛素激活酶(E1)、泛素結合酶(E2)和泛素蛋白質連接酶(E3)。泛素化的過程大致如下：①形成硫脂鍵：E1的半胱氨酸活性部位與泛素C末端的甘氨酸在消耗ATP的作用下形成硫脂鍵；②泛素轉移：連接在E1上的泛素被轉移到E2的半胱氨酸的活性位點；③與底物結合：在E3的催化作用下，泛素C末端與底物上的賴氨酸ε-氨基結合；④降解：泛素蛋白最后被轉運到蛋白酶體中完全降解。

蛋白質泛素化對于細胞分化、調控、生物合成、凋亡、免疫應答和應激反應等生理過程都起著很重要的作用。研究表明，泛素-蛋白酶體抑制劑MG-132能夠顯著抑制消化道腫瘤細胞的增殖并誘導其凋亡，從而抑制癌細胞的擴散[3]；人類神經(jīng)退行性疾病如老年癡呆、帕金森癥等與蛋白質泛素化異常有關，當病變神經(jīng)細胞中泛素-蛋白酶體經(jīng)典途徑出現(xiàn)障礙或過載時，蛋白質不能及時被降解，導致細胞內異常蛋白質聚集，從而形成包涵體引起各類神經(jīng)變性疾??；泛素與相關基因融合表達可增強細胞免疫反應。

2.2 磷酸化 蛋白質磷酸化是指蛋白質在磷酸化激酶的催化作用下把ATP或GTP的γ位磷酸基轉移到蛋白質的特定位點氨基酸殘基上的過程。磷酸化是一種非常重要且廣泛存在于原核生物和真核生物中的翻譯后修飾調控方式，細胞內至少有30%的蛋白質被磷酸化修飾 。

根據(jù)磷酸化發(fā)生位點側鏈基團的不同，可將磷酸化蛋白質分為4類，即O-磷酸鹽蛋白質、N-磷酸鹽蛋白質、酰基-磷酸鹽蛋白質和S-磷酸鹽蛋白質。不同的氨基酸殘基磷酸化過程所需的蛋白激酶是不一樣的，研究發(fā)現(xiàn)至少有500種以上。

蛋白質磷酸化修飾參與生命活動的各種生理和病理過程，如細胞信號轉導、神經(jīng)活動、肌肉收縮、細胞增殖、發(fā)育、分化以及腫瘤發(fā)生等。蛋白質磷酸化具有以下功能：①參與重要酶促反應，生成反應中間產(chǎn)物；②磷酸化改變蛋白質活性；③介導獨特生理效應，例如天冬氨酸、谷氨酸和組氨酸磷酸化蛋白在細菌趨化反應的感覺性傳導過程中發(fā)生解離[4]；酪氨酸磷酸化調控信號轉導和控制細胞生長[5]；CDKs(屬于Ser/Thr激酶)激活Cyclins并形成復合物, 從而調控細胞周期[6]；線粒體中氧化分解反應中NADPH氧化酶和電子傳遞鏈相關蛋白質分子都有磷酸化調控的過程[7]。

2.3 乙?；?蛋白質乙?；侵傅鞍踪|在乙?；D移酶(HATs/KATs)的催化下把乙?；鶊F(如乙酰輔酶A等供體)共價結合到底物蛋白質中氨基酸殘基上的過程。蛋白質去乙酰化是在去乙酰化酶(HDACs/KDACs)作用下的可逆性修飾過程。兩者共同調節(jié)蛋白質中氨基酸的乙酰化修飾。

依據(jù)乙?；恢貌煌譃閮煞N形式：①Nα乙?；菏侵傅鞍踪|N-末端被乙?；揎棧@種修飾方式存在于近80%的真核蛋白中，且是不可逆修飾；②Nε乙?；哼@是一種動態(tài)、可逆性的修飾方式。對其研究主要集中在賴氨酸殘基的乙酰化修飾。研究探明真核生物中有1500多種賴氨酸Nε乙?；揎椀牡鞍踪|，執(zhí)行著不同的生物學功能。原核生物中也普遍存在Nε乙?；揎棥?/p>

原核生物乙?；?去乙?；闆r比較簡單，主要原因是其細胞內相關的酶較少。真核生物中乙?；?去乙?；闆r較為復雜，目前發(fā)現(xiàn)乙酰化酶KATs就有5個家族，去乙?；赣?個家族。

研究表明乙酰化修飾影響著細胞生理的各個方面，如轉錄調控、蛋白質降解、細胞代謝、趨化反應及應激反應等。組蛋白乙?；揎棇θ旧w結構的影響及轉錄調控是研究最為深入的領域。近年來，非組蛋白乙?；揎椦芯恳踩〉靡欢ǔ晒?，如發(fā)現(xiàn)沙門氏菌中代謝酶存在可逆性乙?；F(xiàn)象，借助乙?；饔眉毎梢造`活的響應環(huán)境變化[8]；揭示了蛋白質乙?；揎棇毎允烧{控的分子機制[9]。

2.4 糖基化 蛋白質糖基化是指在糖基轉移酶作用下，將糖類轉移至蛋白質或蛋白質上特殊的氨基酸殘基共價結合形成糖苷鍵的過程。蛋白質經(jīng)過糖基化作用，形成糖蛋白。該修飾方式普遍存于真核細胞中。

蛋白質糖基化按照氨基酸與糖的連接方式可分為4類：①O位糖基化：是指蛋白質的絲氨酸或蘇氨酸的自由-OH與糖鏈共價連接，可發(fā)生于高爾基體、細胞核或細胞質中。②N位糖基化：是指蛋白質的天冬氨酸的自由-NH2與糖鏈共價連接。N位的糖鏈合成起始于內質網(wǎng)，完成于高爾基體。血漿等體液中蛋白質多發(fā)生N位糖基化。③C位甘露糖化：是指一分子α-吡喃甘露糖殘基通過C-C鍵連接到色氨酸吲哚環(huán)C-2上。④糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定連接：是指磷脂酰-纖維糖組在靠近蛋白C端部位結合，將蛋白連接到細胞膜上。一些水解酶、黏附蛋白、免疫蛋白、補體調節(jié)蛋白等蛋白屬于此類糖基化。

蛋白質糖基化在生命體中起著重要的作用，例如，參與免疫保護、信號轉導調控、蛋白質翻譯調控、蛋白質降解、細胞壁的合成等許多生物過程。很多蛋白如轉錄因子、核小孔蛋白、熱休克蛋白、RNA聚合酶Ⅱ、致癌基因翻譯產(chǎn)物、酶等，都發(fā)現(xiàn)存在糖基化這種翻譯后修飾方式[10]。研究表明，人體70%的蛋白包含一個或多個糖鏈，1%的人類基因組參與糖鏈的合成和修飾。糖基化的鐵轉移蛋白是一種金屬轉運血清蛋白，具有間接調節(jié)鐵離子平衡的作用，但在帕金森病、風濕性關節(jié)炎患者體內發(fā)現(xiàn)鐵轉移蛋白糖基化水平過高[11]。

2.5 甲基化 蛋白質甲基化是指蛋白質在甲基轉移酶的催化下將甲基轉移至特定的氨基酸殘基上共價結合的過程。甲基化是一種可逆的修飾過程，由去甲基化酶催化去甲基化作用。研究發(fā)現(xiàn)，常見甲基化/去甲基化作用的氨基酸主要是賴氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)。

依據(jù)甲基化修飾的底物蛋白的不同，可分為組蛋白Lys/Arg甲基化和非組蛋白Lys/Arg甲基化兩種形式。組蛋白賴氨酸甲基化主要發(fā)生在組蛋白H3 和H4上。組蛋白精氨酸甲基化主要由精氨酸甲基轉移酶(PRMT)家族的成員催化完成，與基因激活有關，而H3和H4精氨酸的甲基化丟失可導致基因沉默。

研究表明，組蛋白賴氨酸甲基化修飾執(zhí)行著多種生物學功能，如干細胞的維持和分化、X染色體失活、轉錄調節(jié)和DNA 損傷反應等，主要是影響染色質濃縮，抑制基因表達。組蛋白精氨酸甲基化在基因轉錄調控中發(fā)揮著重要作用，并能影響細胞的多種生理過程，包括DNA修復、信號轉導、細胞發(fā)育及癌癥發(fā)生等[12]。

2.6 脂基化 蛋白質脂基化修飾是指蛋白質在脂基轉移酶的催化下將脂質基團與蛋白質共價結合的過程。常見的能與蛋白質共價結合的脂質有脂肪酸、異戊烯類脂質、膽固醇以及糖基磷脂酰肌醇這4類。這些脂質修飾蛋白主要存在于細胞膜、細胞質、細胞核、細胞骨架等部位。

脂質分子與蛋白質的共價結合主要有3種：①N-連接：主要發(fā)生在N-末端甘氨酸殘基，由特異性豆蔻轉移酶(NMT)催化完成，發(fā)生在核糖體合成蛋白質過程中，是研究較為清楚的一種翻譯后脂修飾。② S-連接：是指脂質與半胱氨酸殘基中的SH 基團的共價結合。③O-連接：是指脂質與絲氨酸或蘇氨酸殘基中OH共價結合生成醚氧鍵，具有不可逆性。這種脂修飾報道較少。

目前人們對蛋白質翻譯后脂修飾的認識還非常有限，對大部分脂修飾蛋白的結構和功能未知或知之不多。但越來越多的實驗研究表明，脂修飾在微生物感染、信號轉導、免疫調控和腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用。

例如，促凋亡蛋白BID可發(fā)生翻譯后N-豆蔻修飾，使蛋白定位于線粒體并激活凋亡信號通路，誘發(fā)細胞凋亡。由T 細胞受體(TCR)介導的信號通路中的相關蛋白CD8β的棕櫚化修飾可促使CD8β與脂筏區(qū)結合并與P56lck偶聯(lián)，進而激活T 細胞；而銜接蛋白LAT的異常棕櫚化修飾則導致T細胞無能，對抗原的再刺激失去增殖反應的能力，從而抑制免疫應答反應[13]。