蛋白質翻譯后修飾（PTM）

日期：2024-01-31 09:02:59

人類基因組由 20,000 到 25,000 個編碼蛋白質的基因組成 ^[1]，而人類蛋白質組估計多達 1,000,000個蛋白質 ^[2]。為什么人類蛋白質組的規模遠遠大于人類基因集？除了 mRNA 的替代剪接是蛋白質多樣性的來源之外，蛋白質的翻譯后修飾（PTM）也進一步影響并增加了蛋白質的變異性和復雜性。

根據生物學的 "中心法則"，DNA首先轉錄為RNA，然后翻譯成蛋白質。然而，大多數蛋白質在生物合成后還需要經過一些額外的步驟，這些步驟是細胞、組織和生物體實現其生物學功能和多樣性所必需的。蛋白質翻譯后的這些酶修飾稱為PTM。

1. 什么是翻譯后修飾？

在生物合成之后，蛋白質會通過各種方式進一步調整，以完善其結構、指定其空間方向或調節其活性。翻譯后修飾（PTMs）是指通過蛋白水解裂解以及在單個或多個氨基酸上添加功能基團（如乙酰基、磷酸基和糖基）來改變蛋白質特性的這些動態的、緊密協調的加工事件 ^[3]。PTMs 經常出現在分泌蛋白、膜蛋白、組蛋白和其他具有重要結構/功能的蛋白質中。它們出現在細胞核、細胞質、內質網和高爾基體等細胞器中 ^[4]。PTMs 要么是共價修飾等可逆反應，要么是蛋白水解修飾等不可逆反應。

據估計，執行各種PTM的酶占整個蛋白質組蛋白質的5%。這些酶包括激酶、磷酸酶、轉移酶和連接酶，它們可在氨基酸側鏈上添加或去除功能基團、蛋白質、脂質或糖，還包括蛋白酶，它們可從氨基酸側鏈上去除特定序列或調節亞基。

2. 翻譯后修飾的分類

目前已發現400多種不同形式的PTM。它們可根據被修飾氨基酸側鏈的類型、修飾酶的類別和可逆性程度進行分類。研究最多的 PTM 包括磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化、糖基化、SUMO化、脂化（棕櫚酰化、肉豆蔻酰化和前酰化）和硫化。

圖1. PTMs在哺乳動物細胞內

圖片來源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8072572/

表1：不同 PTM 的機制和功能

PTMs的類型				機制	靶向位置	功能
磷酸化			可逆	激酶將磷酸基團從三磷酸腺苷轉移到受體殘基上	主要發生在目標蛋白質的 Ser、Thr、Tyr 和 His 殘基上，也可見于 Pro、Arg、Asp 和 Cys 殘基上。	參與復制、轉錄、環境應激反應、細胞運動、細胞代謝、細胞凋亡和免疫反應等關鍵細胞過程。
乙酰化	Nα- 乙酰化		不可逆	乙酰轉移酶使用乙酰 CoA 作為輔助因子，將乙酰基（COCH3）添加到賴氨酸側鏈的ε-氨基上。	報告較多的是賴氨酸殘基，但也發生在賴氨酸、Ala、Arg、Asp、Cys、Gly、Glu、Met、Pro、Ser、Thr 和 Val 殘基上。	在染色質穩定性、蛋白質-蛋白質相互作用、細胞周期控制、細胞代謝、核運輸和肌動蛋白成核等生物過程中發揮重要作用 [5] [6]。
	Nε-乙酰化		可逆
	O-乙酰化		可逆
泛素化			可逆	活性泛素蛋白的 C 端與蛋白賴氨酸殘基的 Nε 之間發生共價鍵合。	出現在所有 20 個氨基酸上，但更多出現在賴氨酸上。	在所有組織中主要通過泛素-蛋白酶體途徑降解細胞內蛋白質。
甲基化			可逆	在目標蛋白質的賴氨酸或精氨酸殘基上添加甲基。	發生在目標蛋白質的 Lys、Arg、Ala、Asn、Asp、Cys、Gly、Glu、Gln、His、Leu、Met、Phe 和 Pro 殘基上。	最常見于組蛋白修飾。與各種生物過程的微調有關，從轉錄調控到通過異染色質組裝的表觀遺傳沉默。
糖基化	N-糖基化		可逆	N 連接的聚糖與天冬酰胺或精氨酸側鏈的氮相連。	較常出現在蛋白質和脂蛋白中的 Ser、Thr、Asn 和 Trp 殘基上，但也會出現在 Ala、Arg、Asp、Ile、Lys、Val、Glu、Pro、Tyr、Cys 和 Gly 殘基上。	參與細胞粘附、細胞-細胞和細胞-基質相互作用、分子販運、受體激活、蛋白質溶解度效應、蛋白質折疊和信號轉導、蛋白質降解以及蛋白質胞內販運和分泌 [7-9]。
	O-糖基化			O 鍵聚糖連接到絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、羥基賴氨酸或羥基脯氨酸側鏈的羥基氧上，或連接到神經酰胺等脂質上的氧原子上。
	C-糖基化			色氨酸側鏈的碳上添加了糖。
	磷酸-糖基化			磷酸聚糖通過磷酸絲氨酸的磷酸鹽連接。
	糖化			引入 GPI 錨點，通過糖鏈將蛋白質與脂質連接起來。
SUMO酰化			可逆	SUMO（SUMO1、SUMO2和SUMO3）通過三種酶，即SAE1（激活）、UBC9（共軛）和連接酶PIAS1，以共價連接的方式與底物蛋白質中的賴氨酸殘基相連。	賴氨酸殘基	是維持細胞中基因組完整性、轉錄調控、基因表達和信號轉導的必要條件 [10]。調控 DNA 損傷修復、免疫反應、致癌、細胞周期進展和細胞凋亡。
脂化	棕櫚酰化		可逆	通過硫酯連接將棕櫚酸酯與半胱氨酸進行共價加成。	發生在 Cys、Gly、Ser、Thr 和 Lys 殘基上。	在蛋白質功能調控、蛋白質-蛋白質相互作用、膜-蛋白質關聯、神經元發育、信號轉導、細胞凋亡和有絲分裂中發揮關鍵作用 [11]。
	肉豆蔻酰化		不可逆	肉豆蔻酸通過共價鍵與 N 端甘氨酸殘基相連。	在甘氨酸上出現的頻率較高，而在賴氨酸上出現的頻率較低。	調節蛋白質結構的成熟、信號傳遞、細胞外通訊、新陳代謝和酶的催化活性。
	異戊烯酰化	法呢酰化	不可逆	法呢酰焦磷酸加到半胱氨酸殘基上。	出現在半胱氨酸和底物蛋白質的羧基末端附近。	促進蛋白質與蛋白質之間的相互作用、內吞調節、細胞生長、分化、增殖和蛋白質販運。
	異戊烯酰化	麥角酰化	不可逆	在半胱氨酸殘基上添加焦磷酸香葉酯。	出現在半胱氨酸和底物蛋白質的羧基末端附近。	促進蛋白質與蛋白質之間的相互作用、內吞調節、細胞生長、分化、增殖和蛋白質販運。
硫化			不可逆	TPST1 或 TPST2 可將活化的硫酸鹽從 3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸鹽轉移到多肽酸性基團內的酪氨酸殘基上	發生在目標蛋白質的 Tyr、Cys 和 Ser 上。	在蛋白質與蛋白質之間的相互作用、白細胞在內皮細胞上的滾動、視覺功能和病毒進入細胞等方面起著至關重要的作用。

圖2. 蛋白質的磷酸化

圖3. SUMO化催化循環

圖片來源：https://www.caister.com/cimb/v/v40/189.pdf

圖4. 蛋白質的泛素化過程及其降解

圖片來源：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2018.02738/full

3. 翻譯后修飾的生物學意義

蛋白質的翻譯后修飾（PTMs）在生物體內發揮著重要作用，它使蛋白質結構更加復雜，蛋白質功能更加完善，調控更加精細，蛋白質的作用更加特異。PTM通過拓寬修飾氨基酸殘基的結構和理化性質范圍，擴大了蛋白質結構的可變性和多樣性，并引入了新的功能 ^[12]。由于不同的PTM可導致蛋白質理化性質的不同改變 ^[13]，因此不同的修飾可賦予同一蛋白質不同的功能。一個蛋白質可以有不同種類和數量的PTM。

PTM 對蛋白質功能的影響是多方面的。它們可能會影響酶的功能和組裝 ^[14]、蛋白質的活性、蛋白質的壽命、蛋白質與蛋白質之間的相互作用 ^[15]、細胞-細胞/基質之間的相互作用、分子遷移、受體活化、蛋白質的可溶性 ^[16-18]、蛋白質的折疊 ^[19]、蛋白質的位置、蛋白質的穩定性和蛋白質的親電性等蛋白質的行為和特性。因此，這些修飾在多種生物過程中發揮作用，包括信號轉導 ^{[20] [21]}、基因表達調控、DNA修復、細胞存活和細胞周期控制。

4. 翻譯后修飾的檢測

檢測翻譯后修飾，了解它們如何發揮作用、影響蛋白質組和控制基因組，將極大地推動我們對遺傳學和表觀遺傳學的理解。PTM 鑒定對于闡明復雜細胞過程和疾病的機理非常重要。檢測 PTM 的實驗方法有很多，包括 Western 印跡（WB）、反相蛋白質陣列（RPA）、基于免疫沉淀（IP）的方法、質譜（MS）、體外檢測和免疫熒光。這些方法在易用性、復雜性、成本和結果交付方面存在很大差異。可以將兩種或多種方法結合起來，對感興趣的蛋白質的 PTM 進行鑒定、驗證和機理表征。

表2：不同PTM檢測方法之間的差異

方法	原理	優勢	劣勢
免疫印記（Western blotting，WB）	在丙烯酰胺凝膠中根據分子量從復雜的細胞裂解液中分離出不同的蛋白質，然后將分離后的蛋白質轉移到膜上，用針對所選 PTM 的一抗和二抗進行印跡。	可研究 PTM 的內源性改變。無需特定工具。	需要針對目標蛋白質的特異性抗體。沒有位點特異性。由于 PTM 修飾可能會阻斷目標蛋白質的抗體結合位點，因此可能出現假陰性。
反相蛋白質陣列（RPA）	使用一種將細胞裂解液固定在小點上的平臺，允許特異性識別相關 PTM 的抗體對預選蛋白質的 PTM 進行定量。	這是一種基于抗體的靈敏蛋白質組學方法，可同時對多個樣本集的多種蛋白質和翻譯后修飾進行定量。相對較高的重現性、靈敏度和穩健性。	需要事先篩選抗體并驗證其特異性。收集樣本和打印粘性樣本的能力是 RPA 技術的一個局限。
基于免疫沉淀 (IP）的方法	固定在固體支持基質（如瓊脂糖樹脂）上的抗體與相關蛋白質結合，而復合裂解物中的其他蛋白質則被洗去。使用洗脫緩沖液洗脫捕獲的蛋白質，并將其濃縮分離。分離出的蛋白質可進一步進行 WB 或 MS 分析。	適用于富集感興趣的目標蛋白質上特定的、低豐度的 PTM。經過優化的高質量 IP 試劑可提高結果的準確性。	進一步分析需要其他方法，如 WB 或 MS。
質譜分析法（MS）	用特定的蛋白酶（通常是胰蛋白酶）消化感興趣的蛋白質裂解物，富集特定的 PTM，然后用 LC-MS/MS 進行分析。收集數據后，利用計算算法識別肽和蛋白質及其相對定量。用于檢測 PTMs 底物和繪制 PTMs 位點圖。	可檢測大量修飾蛋白質，靈敏度和特異性高。	耗時且具有高度的 PTM 特異性。需要質譜儀和熟悉操作儀器的相關專家。質譜儀的局限性和偏差。
免疫熒光（IF）	可用于研究組織或細胞中 PTM 特征的整體和空間變化。可能是一種有用的生物讀數。	可用于檢查蛋白質在整個細胞中的定位，并確定蛋白質在不同細胞條件下的特定形式的定位。	不能用于鑒定特定目標的 PTM。

5. 翻譯后修飾對疾病的影響

翻譯后修飾幾乎影響正常細胞生物學的所有方面，并對各種分子功能進行微調。PTMs 的失調可導致細胞生長、代謝、分化和凋亡等重要生物過程的功能障礙，從而導致疾病的發生和發展。因此，識別和了解 PTMs 對細胞生物學研究、疾病治療和預防至關重要。

磷酸化途徑的紊亂與癌癥、心臟病、阿爾茨海默病和帕金森病等疾病有關 ^[22]。SUMOylation 會影響癌細胞信號傳導和基因網絡，從而調節炎癥、免疫和 DNA 損傷，在致癌、增殖、轉移和凋亡之間建立聯系。乙酰化賴氨酸失調可導致癌癥、衰老、免疫問題、神經系統疾病和心血管疾病等嚴重疾病 ^{[5] [23] [24]}。泛素途徑的功能障礙可導致多種疾病，如不同的癌癥、代謝綜合征、炎癥性疾病、2 型糖尿病和神經退行性疾病 ^{[25] [26]}。甲基化缺陷可導致多種疾病，如癌癥、智力遲鈍（安吉爾曼綜合征）、糖尿病、脂質沉著病和閉塞性疾病 ^{[27] [28]}。糖基化缺陷在癌癥、肝硬化、糖尿病、艾滋病病毒感染、老年癡呆癥和動脈粥樣硬化等多種疾病的發病過程中起著重要作用 ^{[9] [29]}。棕櫚酰化功能障礙與許多疾病相關，包括亨廷頓氏病、精神分裂癥和阿爾茨海默病等神經系統疾病以及不同的癌癥 ^[30-32]。前酰化紊亂是癌癥、心腦血管疾病、骨病、早衰癥、代謝性疾病和神經退行性疾病的發病機制之一。

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