翻译后修饰对蛋白质功能的调节 (1)

泛素-蛋白酶系统对蛋白特异性水解机理
DUBs 参与的泛素化调控
不同翻译后修饰过程的相互协调与影响

在体内, 各种翻译后修饰过程不是孤立存在的。 在很多细胞活动中, 需要各种翻译后修饰的蛋白 共同作用。例如在信号转导的过程中, 位于细胞 膜外侧的细胞外信息受体和相应的响应器(一般 都是糖基化的蛋白质)与相应的配体结合, 这些糖 蛋白会将细胞所处环境中的刺激信号导入细胞膜, 并首先转导到这类与膜结合的脂蛋白上, 而后再 通过脂蛋白向下级的蛋白质或激酶转导。同时, 在绝大多数的信号转导过程中, 脂蛋白都是另外 一系列蛋白质磷酸化的开端, 这些磷酸化过程分 别受到特定的激酶调节, 是信号转导过程中的主 体。

二硫键形成
二硫键通常只发现于分泌蛋白（如胰岛素）和某些 膜蛋白中，在细胞质中由于有各种还原性物质（如 谷胱甘肽glutathione和硫氧还蛋白thioredoxin）所 以细胞质蛋白没有二硫键。 因为内质网腔是一个非还原性环境，所以粗糙内质 网上的新生肽只暂时形成二硫键。当新生肽进入内 质网腔时，一些肽链可能会按氨基酸次序依次暂时 形成二硫键，但最终会通过交换二硫键位置的形式 形成正确的结构，内质网中可能还有一种二硫键异 构酶（disulfide isomerase）催化该过程。
组蛋白精氨酸甲基化
组蛋白精氨酸甲基化位点为H3-R2, H3-R4, H3-R17, H3-R26, 它们都可以增强转录。
乙酰化
组蛋白的乙酰化促进转录，去乙酰化抑制 转录。 多聚谷氨酰胺疾病是一种神经退行性遗传 病是由致病基因CAG 重复片段的扩大引起 的。研究显示, 在扩大的多谷氨酰胺诱导的 疾病中, 蛋白的乙酰化和去乙酰化的失衡是 一个关键的过程。
翻译后修饰 对蛋白质功能的调节

很长时间里，蛋白质翻译后修饰并未引起足够重视，直 到2004 年泛素介导蛋白质降解的发现获得诺贝尔奖之后，
这一情形才有明显改观。迄今，人们已发现多达200 多
种的蛋白质修饰。蛋白质翻译后修饰是调节蛋白质生物 学功能的关键步骤之一，是蛋白质动态反应和相互作用 的一个重要分子基础，同时，它也是细胞信号网络调控 的重要靶点。

蛋白质翻译后修饰几乎参与了细胞所有的正常生命活动
过程，并发挥十分重要的调控作用，目前已经成为国际 上蛋白质研究的一个极其重要的领域。

原核生物的翻译后修饰

真核生物的翻译后修饰
原核生物的翻译后加工
一些新生肽链从核糖体上释放下来后 可以直接折叠成最终的三维结构。但多数 情况下是新生肽要经过一系列的加工修饰， 才具有功能。
去，因此产生的多肽链不含有内含子对应的氨基酸
糖基化
真核生物中糖基化修饰很普遍。 通常情况下，分泌蛋白的寡糖链较复杂，而内质网 膜蛋白含有较高的甘露糖。 下图是细胞中涉及糖基化的蛋白
羟基化
在结缔组织的胶原蛋白和弹性蛋白中pro和lys是经过羟基化 的。 此外，在乙酰胆碱酯酶（降解神经递质乙酰胆碱）和补体系 统（参与免疫反应的一系列血清蛋白）都发现有4-羟辅氨酸。 位于粗糙内质网（RER）上的三种氧化酶（脯氨酰-4-羟化酶， prolyl-4-hydroxylase，脯氨酰-3-羟化酶和赖氨酰羟化酶， lysylhydroxylase）负责特定pro和lys残基的羟化。 脯氨酰-4-羟化酶只羟化-Gly-x-pro-，脯氨酰-3-羟化酶羟化 Gly-pro-4-Hyp（Hyp: hydroxyproline），赖氨酸羟化酶只 作用于-Gly-X-lys-。 胶原蛋白的脯氨酸残基和赖氨酸残基羟化需要Vc，饮食中Vc 不足时就易患坏血症（血管脆弱，伤口难愈），原因就是胶 原纤维的结构不力（weak collagen fiber structure）。

甲基化 蛋白质的甲基化是指在甲基转移酶催化下，甲 基基团由S- 腺苷基甲硫氨酸转移至相应蛋白 质的过程，既可以形成可逆的甲基化修饰，如 O 位羧基端的甲基化修饰，也可以形成不可逆 的甲基化修饰，如N- 位的甲基化修饰。在原 核生物中也普遍存在蛋白质的甲基化。 在大肠杆菌和有关细菌中发现的一种甲基转移 酶能甲基化膜结合的化学受体蛋白的谷氨酸残 基。这种甲基转移酶和另外一种甲基酯酶催化 的甲基化/去甲基化过程在细菌趋化性的信号 转导中起重要作用。

Ras 蛋白在细胞内循环示意图

非正常修饰的脂蛋白, 会影响信号转导的过 程。在30％的人体肿瘤中都发现了Ras 蛋 白的变体, 其中80％肿瘤为恶性。在细胞 内, 产生非正常修饰的原因是Ras 蛋白发 生了点突变, 是化学信号刺激还是基因变异 导致了Ras 蛋白的突变, 尚不清楚。以蛋 白质脂基化作为药物靶点已取得一定成绩。 法呢基转移酶抑制剂在抗肿瘤治疗中具有 很好的疗效, 而对于正常的细胞却没有任何 毒性。同样, 棕榈酰基转移酶抑制剂也表现 出抗肿瘤特性, 对于乳腺癌、前列腺癌等均 有作用。
蛋白质内含子 90年代初，发现了两类新的内含子。
一类是蛋白质内含子，其DNA序列与外显子一起转
录和翻译，产生一条多肽链，然后从肽链中切除与
内含子对应的a.a序列，再把与外显子对应的氨基酸
序列连接起来，成为有功能的蛋白质。
另一类是翻译内含子，mRNA中存在与内含子对应的
核苷酸序列，在翻译过程中这一序列被“跳跃”过
磷酸化

磷酸化是通过蛋白质磷酸化激酶将ATP 的磷酸基转 移到蛋白的特定位点上的过程。大部分细胞过程实 际上是被可逆的蛋白磷酸化所调控的, 至少有30%的 蛋白被磷酸化修饰。磷酸化的作用位点为蛋白上的 Ser, Thr, Tyr 残基。在磷酸化调节过程中，细胞的形 态和功能都发生改变。可逆的磷酸化过程几乎涉及 所有的生理及病理过程, 如细胞信号转导、肿瘤发生、 新陈代谢、神经活动、肌肉收缩以及细胞的增殖、 发育和分化等。Fisher 和Krebs 因其在蛋白质可逆 磷酸化作为一种生物调节机制方面的研究而获得 1992 年诺贝尔生理学及医学奖。
脂基化
脂蛋白是一类膜结合蛋白, 其特定的脂肪链 修饰, 帮助这类蛋白在细胞膜上定位, 并进 一步协助该蛋白发挥生物功能。近年来生 物物理学研究发现, 脂蛋白只有固定在膜上 之后, 才有参与生物功能的活性。 脂基化对于生物体内的信号转导过程起着 非常关键的作用, 脂基化蛋白相当于细胞信 号转导的开关。


切除加工 包括去掉N端的甲酰甲硫氨酸和信号肽序列。 信号肽（Signal peptide），也叫引导肽（leader peptide），是决定多肽最终去向的一段序列， 通常较短，典型情况下位于N端。在细菌中的一 个例子就是多肽要插入细胞质膜必须借助信号肽 序列。 糖基化 曾经一度认为糖基化只存在于真核细胞中，但研 究表明，原核生物中也存在蛋白质的糖基化修饰， 而且由于在糖基的单糖结构和组成上的不同而显 得比真核生物中的更加丰富多样。
组蛋白赖氨酸甲基化。 组蛋白赖氨酸甲基化发生在H3-K4, H3-K9, H3-K27, H3-K36, H3-K79和H4-K20 上, 还 可发生于H1 N 端。H3-K9, H3-K27,H4K20 的甲基化与染色体的钝化过程有关, 而H4-K9 的甲基化可能与大范围的染色质 水 平 的 抑 制 有 关 。 H3-K4, H3-K36, H3K79 位的甲基化与染色体转录激活过程有 关, 其中H3-K4 的单甲基化修饰可以对抗 H4-K9 甲基化所导致的基因抑制。
包含信号肽的胰岛素前体称 为 前 胰 岛 素 原 （ preproinsulin）。 去掉信号肽的胰岛素的前体 称为胰岛素原(proinsulin)。 进一步切除称为C链的肽段后 才能形成活性形式的胰岛素 （insulin）

蜂毒素能溶解动物细胞，也能溶解蜜蜂自 身的细胞，在细胞内合成没有活性的前毒 素，分泌进入刺吸器后，N端的22个氨基 酸残基被蛋白酶水解生成毒素。
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对于同一个蛋白可以拥有一种以上的后修 饰过程。各种翻译后修饰形式相互影响、 相互协调。磷酸化与糖基化在很多方面都 具有相似性, 尤其是动力学特点和在细胞内 普遍存在的特点, 如在转录因子、致癌产物、 酶中都存在。


泛素化
泛素由76个氨基酸组成, 高度保守, 普遍存 在于真核细胞内,故名泛素。共价结合泛素 的蛋白质能被蛋白酶识别并降解, 这是细胞 内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍 途径。与消化道内进行的蛋白质水解不同, 从泛素与蛋白的结合到将蛋白水解成小的 肽段, 整个水解过程需要能量参与。
泛素-蛋白酶系统 泛素-蛋白酶系统是存在于所有真核生物细胞的调 控系统。20 世纪70~80 年代, 泛素调节蛋白质降 解的机理之谜被揭开,降解过程中需要三种酶的参 与: 泛素激活酶(E1)、泛素结合酶(E2)和泛素蛋白 质连接酶(E3)。 泛素化降解蛋白的过程中对蛋白 的特异性识别依赖E3。由E2s 和E3s 介导的泛素 化过程可以被去泛素化酶(DUBs)逆转。目前发现 的DUBs 可分为两大类:泛素碳端水解(ubiquitin C-terminal hydrolases,UCHs)和泛素特异性蛋白 酶(ubiquitin-spicific processing proteases,UBPs), 两者都是半胱氨酸水解酶。通常情况下, UCHs 主要水解羰基端的酯和泛素的氨基键, 也可以分 解泛素前体, 生成活泼的泛素分子; UBPs 分解泛 素多聚体链。
甲基化

蛋白质的甲基化修饰是在甲基转移酶催化下, 在赖氨酸或精氨酸侧链氨基上进行的甲基化。 另外也有对天冬氨酸或谷氨酸侧链羧基进行甲 基化形成甲酯的形式, 这里主要关注前一种甲 基化形式。甲基化增加了立体阻力, 并且取代 了氨基的氢, 影响了氢键的形成。 因此, 甲基 化可以调控分子间和分子与目标蛋白的相互作 用。 天冬氨酸的甲基化能促进已破坏蛋白的修复或 降解。

组蛋白上的甲基化修饰 组蛋白对于转录等过程至关重要, 它是通过 对其末端的化学修饰作用如磷酸化、乙酰 化和甲基化等参与细胞核中生命活动。组 蛋白赖氨酸和精氨酸的甲基化同转录调节 和异染色体的形成有关。总之, 组蛋白乙酰 化水平增加与转录活性增强有关, 而组蛋白 甲基化修饰的结果则相对复杂, 它可以是转 录增强或转录抑制。 组蛋白赖氨酸甲基化 组蛋白精氨酸甲基化
一般情况下，翻译后修饰一是为了功能上 的需要，另一种情况是折叠成天然构象的 需要。

切除加工
典型的情况包括切除N-端甲硫氨酸、信号肽序列和切 除部分肽段将无活性的前体转变成活性形式。 一 些 酶 的 前 体 （ 称 为 前 体 酶 proenzyme ， 或 酶 原 zymegen）或无活性的多肽前体（称为前体蛋白， proprotein）只有切除特定的肽段后才能从无活性形 式转变成活性形式。下图是胰岛素的翻译后加工。

类泛素化 2008 年之前在原核生物中只发现了蛋白酶 体，却从未发现泛素或类泛素的蛋白质的 修饰，因此一度认为蛋白酶体对原核生物 蛋白质的降解完全依赖于蛋白质自身的组 成和结构，但最近两年通过对结核分枝杆 菌的研究，发现了Pup修饰，而且能介导 蛋白质的降解。
真核生物的翻译后加工
许多真核生物的新生肽都要经过翻译后加 工或修饰，这种加工修饰可以发生在延伸 着的肽链中和翻译后。

磷酸化 蛋白质的磷酸化是指通过酶促反应将磷酸 基团转移到目的蛋白特定的氨基酸残基上 的过程，是可逆的。这是生物体内存在的 一种普遍的调节方式，在细胞信号的传递 过程中占有极其重要的地位。 近年来，已经发现由蛋白激酶和蛋白磷酸 化酶催化的蛋白质磷酸化/去磷酸化在原核 生物中十分普遍。磷酸化/去磷酸化的意义 还不太清楚。目前只知在细菌趋化性和氮 代谢调空中有瞬间的磷酸化作用。

乙酰化 乙酰化修饰首先是在真核生物中发现的， 发生乙酰化的位点是结合在DNA 上组蛋白 的赖氨酸残基着-NH2，对基因转录起到重 要的调节作用。随着研究的深入，近些年 在原核生物中也发现了蛋白质乙酰化修饰。 DNA结合蛋白的乙酰化修饰 乙酰辅酶A合成酶(ACS)的乙酰化修饰 核糖体蛋白的乙酰化修饰