ln-蛋白质的修饰与讲解

细胞内成分的主要降解途径
1、蛋白酶体途径：降解细胞内短寿(short-lived)、多聚 泛素化(ubiquitination)的蛋白质。 原核生物：通过19S的蛋白酶体能识别靶蛋白的特定氨 基酸序列并将其降解。
真核生物：则是通过26S的蛋白酶体降解蛋白质。
2、内吞途径：将跨膜蛋白运送到溶酶体降解。 3、细胞自噬途径：而长寿蛋白(long-lived protein)、蛋白聚 集物及膜包被的细胞器是通过细胞自噬的方式在溶酶体降解。
Atg9/mAtg9
Atg9是迄今发现的唯一一个编码跨膜蛋白的 Atg基因, 能通过影响膜泡运输对自噬发生起调 控作用。营养物质缺乏 时, Atg9与Atg23、 Atg27结合, 将它们运 输至PAS;
cAMP激活 PKA影响糖代谢示意图
调节基因表达
调节细胞极性

PKA亦可通过磷酸化作用激活 离子通道，调节细胞膜电位。
PKC signaling
激素
EGFR介导的信号转导过程
目录
催化蛋白质去磷酸化的蛋白磷酸酶


蛋白质丝氨酸/苏氨酸磷酸酶 PP1、PP2A、PP2B、 PP2C 蛋白质酪氨酸磷酸酶 1/3是跨膜的，类似受体 2/3是游离于胞质，为非受体型
wenku.baidu.com 基础自噬和诱导自噬
基础自噬：是一种在大多数细胞中持续发生而水平相 对较低的细胞自噬过程, 对细胞内物质的更新及细胞内 环境稳态的维持具有不可或缺的作用。
诱导自噬：是细胞应对外界刺激的一种保护反应。缺 少营养物质或能量、受到氧胁迫等情况下, 细胞的自噬 水平在短时间内剧烈升高的细胞自噬过程。
如哺乳动物出生后初期, 由于母体不再提供营养来源, 幼体的细 胞自噬非常活跃, 这为维持其生命活动起了非常重要的作用。
induction
Atg7 -Atg3-
第二步：自噬体膜的延伸，自噬前体在两个类泛素系统作用 下，包括Atg12-Atg5-Atg16L复合体和LC3(Atg8) 作用下， LC3不断接受PE，扩展膜的长度，成为成熟的闭合自噬泡。
形态特点：自噬前体由半月形，不断延伸成闭合的完整的双 层膜结构的圆形自噬泡，内容物为不断捕获的待降解的衰老 的蛋白、细胞器、蛋白聚集体。
如周期蛋白，基因表达、细胞增殖、 炎症反应、诱发癌瘤（促进抑癌蛋白P53 降解）
蛋白浓度的周期性降低正是泛素介导的蛋 白酶复合体作用的结果。
二、自噬溶酶体系统
什么是自噬？
自噬（autophagy）是真核生物进化过程 中高度保守一类降解途径，通过形成双层膜 的自噬体，将蛋白质等生物大分子或细胞器 （线粒体等）回收至溶酶体将其降解为氨基 酸、单糖等小分子，实现循环再利用。 自噬性细胞死亡, 是凋亡和坏死之外的第 三种程序性细胞死亡方式.
AMPK(AMP-activated protein kinase)
AMPK是细胞中感受能量状态调节代谢的一个蛋白激酶, 在自噬 发生的调控中也发挥着重要的作用。低ATP水平状态下(如饥饿或 缺氧)AMPK能感受AMP的水平变化而激活, 从而磷酸化结节性硬化 复合体TSC2(tuberous sclerosis protein) 加强TSC1/2对Rheb的 抑制, 最终使mTOR的活性被抑制, 诱导细胞发生自噬。
O
泛素
C O- + HS-E1
O 泛素 C S E1
ATP
AMP+PPi
O
泛素
HS-E1 泛素 HS-E2 O 泛素 O
C S E1
HS-E2
C S E2
泛素
被降解 O 蛋白质 C S E2
E3
C NH 被降解蛋白质
E1：泛素活化酶 E2：泛素携带蛋白 E3：N-去稳定残基识别蛋白
泛素化过程


二、脂基化


为长脂肪链通过O或者S原子与蛋白质缀 合的过程，通常是蛋白质分子的半胱氨 酸残基被棕榈酰化或者法呢基化。 铜蓝蛋白 Leu-Ala-Gly-Cys 分别催化的酶是棕榈酰基转移酶 法呢基转移酶
三、甲基化


S-腺苷甲硫氨酸提供甲基集团 甲基转移酶 组蛋白 Lys Arg
四、 乙酰化
蛋白质SUMO化
Ulp
Ulp
SUMO化修饰的生物学作用



底物多为转录调节因子或共调节因子 参与维持基因组的完整性及调节染色体 的凝集与分离 参与DNA修复 拮抗泛素作用 调节蛋白的核质转运和信号转导
六、巴豆酰化


巴豆酰基 巴豆酰基转移酶 组蛋白Lys 基因活化
七、不同翻译后修饰相互协调与影响
Atg1/ULK1蛋白激酶复合体
Atg1是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶, 哺乳动物中同源蛋白ULK1, ULK1以复合 物的形式存在, 除了ULK1本身, 还包括 mAtg13、FIP200(一种与黏着斑激酶FAK 相互作用的蛋白)和Atg101。 当营养足够时 , 哺乳动物雷帕霉 素靶蛋白复合物 1( mTORC1)与 Atg1/ULK1 复合物与结合 ,通过磷酸 化Atg1/ULK1 和ATG13 从而抑制自 噬 的 起 始 从 而 抑 制 自 噬 。 在饥饿的条件下, mTORC1 从 Atg1/ULK1 复合物上分离, 从而诱导 自噬体的成核(Nucleation)和延伸 (Elongation)。
第二章
蛋白质的修饰与降解
第一节 蛋白质的修饰 蛋白质的翻译后修饰指对蛋白质进行 共价加工的过程，可调节蛋白质的活性、 定位、折叠、以及蛋白蛋白相互作用。





磷酸化 脂基化 甲基化 乙酰化 糖基化 SUMO化 巴豆酰化
一、磷酸化

磷酸化 去磷酸化 催化磷酸化的蛋白激酶
蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶 PKA PKC PKG 蛋白质酪氨酸激酶 PTK 非受体型Src 受体型EGFR IGFR PDGFR 双专一性蛋白激酶 DSPK Weel ERK1 EKR2
mTORC1失活
ULK1 去磷酸化
自噬激活
induction
Atg7 -Atg3-
第二步：自噬体的成核，细胞在接受自噬诱导信号后，在胞 浆中形成一个小的膜样结构:分离膜(isolation membrane， IM)，然后不断向两边延伸，成扁平状，被称为前自噬体(preautophagosome PAS) ，是自噬发生的标志之一。需要Atg6 （Beclin1）-ClassⅢ PI3K 复合体以及Atg12-Atg5-Atg16L 复合体. 形态特点：自噬前体多呈新月形或半环形，为游离双层膜结 构，两层膜之间有腔。随着自噬前体增大和包裹内容物，内 腔变得不明显。多种ATG 蛋白参与自噬前体的组装。 组分来源：来源于独立形成的特殊膜结构或线粒体、内质 网或高尔基复合体等膜结构。


细胞信号转导过程中存在多种蛋白翻译 后修饰 一种蛋白质可以有一种以上的翻译后修 饰
八、研究策略


放射性跟踪 修饰性抗体技术 质谱技术
第二节

蛋白质的降解
细胞内的蛋白质分子处于一动态平衡过程中。 进行自我更新。 蛋白质降解途径： 泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system,UPS） 自噬溶酶体（autophagy-lysosome）系统 蛋白质分子降解的生理功能： 1、清理不正常蛋白质的管家功能 2、破坏正常蛋白质的调节功能
自噬进程
1、自噬的诱导激活 2、自噬体的成核和延伸 3、自噬体与溶酶体融合 4、内容物降解
第一步：自噬的诱导
一系列自噬相关基因（autophagy-related gene， Atg）组成的复合体参与调控自噬体的形成。主要是 Atg1/ULK1 复合体，包括Atg1、Atg13、Atg17, mTORC1 磷酸化Atg1/ULK1和Atg13抑制自噬的起始。
Autophagy
Control
Starvation
Autophagy is a cellular degradation system in which cytoplasmic components, including organelles, long-life protein are sequestered by double-membrane structures called autophagosomes and the sequestered materials are degraded by lysosomal hydrolases
一、UPS （ubiquitin-proteasome system）


组成 20S核心颗粒 蛋白酶体激活因子 19S、11S、PA200 分类 ATP和泛素依赖的UPS-19S 不依赖ATP和泛素的UPS-11S
•降解变性和错误折叠的蛋白质
•泛素
•76个氨基酸的小分子蛋白(8.5kD)
•普遍存在于真核生物而得名
Atg7 -Atg3-
第三步：自噬体与溶酶体的融合，被运送到溶酶体，两者的 生物膜融合，变成一个自噬溶酶体(atuolysosome)。 形态特点：多呈圆形或椭圆形。由于自噬体内膜很快被降解， 在透射电镜下自噬溶酶体常不易与其他形式的溶酶体区别。
第四步：自噬溶酶体内的酸性水解酶降解囊泡中的内容物， 成为降解性自噬体(degradative autophagic vacuole)。
自噬体的半衰期 8 min左右，是细胞对于环 境变化的有效反应。
细胞自噬的分类
——根据细胞物质运到溶酶体内的途径不同 1、巨型细胞自噬 (macroautophagy)，又称为大自噬， 是指细胞内新生的球状脂质双层包裹胞浆蛋白和细胞 器，并运送到溶酶体降解的自噬行为。
2、微型细胞自噬 (microautophagy)，又称为小自噬， 是指通过溶酶体膜的内陷、突起和/或分隔，直接吞 入细胞浆的自噬行为。 3、分子伴侣介导的细胞自噬(chaperone mediated autophagy，CMA)，是指由分子伴侣将靶蛋白转送至溶 酶体内的自噬行为。这只见于哺乳类动物细胞。
Transfection
Mol Cancer Res. 2008 Jan;6(1):127-38.

稳定残基:半胱、丙、丝、苏、甘、 缬、蛋 肽链内部的保守序列：PEST使蛋白质 分子短命----UPS 识别信号 去泛素化酶（deubiquitinating enzyme，DUB）
•体内蛋白质降解参与多种生理、病理 调节作用
•一级结构高度保守
蛋白质的泛素化主要发生在赖氨酸残基的 侧链，且通常是多泛素化。结合泛素的蛋白质 能被蛋白酶体识别进而被降解，泛素相当于蛋 白质被降解的标签。
• 泛素介导的蛋白质降解过程
1. 泛素化(ubiquitination)
泛素与选择性被降解蛋白质形成共价连接， 并使其激活。(赖氨酸) 2. 蛋白酶体(proteasome)对泛素化蛋白质的降解
① 自噬的诱导 ②自噬体的成核 和延伸 ③ 自噬溶酶体 的形成 ④内容物的降解
自噬的调节
1、mTOR活性调节 2、胰岛素（激活mtor；抑制FoxO3）
自噬调控的中心分子TOR(target of rapamycin)
雷帕霉素作用的靶位点( T aget of rapamycin, TOR ) 是氨 基酸、A T P和激素的感受器, 它 在调节细胞生长和自噬的发生过 程有重要作用。 TOR(target of rapamycin) 能感受细胞的多种变化信号, 加强 或降低自噬的发生水平。细胞内 ATP水平、缺氧等细胞信号都可 直接或间接通过TOR将其整合, 从而改变细胞的自噬发生, 应对不 同的外界环境刺激。
带有成串泛素分子的底物蛋白再被26S 蛋白酶复合体识别 蛋白酶复合体分子量极其巨大 在蛋白酶复合体腔中，蛋白质被水解
Example
The oncoprotein SS18-SSX1 promotes p53 ubiquitination and degradation by enhancing HDM2 stability.


乙酰基 乙酰基转移酶 主要Lys 组蛋白的乙酰化调控基因转录 调控自噬 调节代谢酶的活性
五、类泛素化--SUMO化(small ubiquitin related modifier)

小泛素相关修饰物，分子结构类似泛素
蛋白质SUMO化



E1活化酶、E2结合酶、E3连接酶 SUMO的C-端Gly残基和底物蛋白Lys的氨基间形成一个异肽键 SUMO的C-末端短肽切除，暴露出GlyGly模特序列，使其变成成熟的功能蛋 白 去SUMO化 Ulp