蛋白質翻譯后修飾.PPT

1、1現(xiàn)代生物醫(yī)學進展現(xiàn)代生物醫(yī)學進展 2008 Vol.8 17292008 Vol.8 17292 很長時間里，蛋白質翻譯后修飾并未引起足夠重視，直到2004 年泛素介導蛋白質降解的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎之后，這一情形才有明顯改觀。迄今，人們已發(fā)現(xiàn)多達200 多種的蛋白質修飾。蛋白質翻譯后修飾是調節(jié)蛋白質生物學功能的關鍵步驟之一，是蛋白質動態(tài)反應和相互作用的一個重要分子基礎，同時，它也是細胞信號網(wǎng)絡調控的重要靶點。 蛋白質翻譯后修飾幾乎參與了細胞所有的正常生命活動過程，并發(fā)揮十分重要的調控作用，目前已經(jīng)成為國際上蛋白質研究的一個極其重要的領域。3第三章 蛋白質翻譯后修飾第一節(jié) 原核生物的翻譯后修飾第

2、二節(jié) 真核生物的翻譯后修飾4 一些新生肽鏈從核糖體上釋放下來后可以直接折疊成最終的三維結構。但多數(shù)情況下是新生肽要經(jīng)過一系列的加工修飾，才具有功能。第一節(jié) 原核生物的翻譯后加工1.1.切除加工切除加工2.2.糖基化糖基化3.3.甲基化甲基化4.4.磷酸化磷酸化5.5.乙酰化乙?；?.6.泛素化51.切除加工 包括去掉N端的甲酰甲硫氨酸和信號肽序列。 信號肽（Signal peptide），也叫引導肽（leader peptide），是決定多肽最終去向的一段序列，通常較短，典型情況下位于N端。在細菌中的一個例子就是多肽要插入細胞質膜必須借助信號肽序列。2.糖基化 曾經(jīng)一度認為糖基化只存在于真核細

3、胞中，但研究表明，原核生物中也存在蛋白質的糖基化修飾，而且由于在糖基的單糖結構和組成上的不同而顯得比真核生物中的更加豐富多樣。63.甲基化 蛋白質的甲基化是指在甲基轉移酶催化下，甲基基團由S- 腺苷基甲硫氨酸轉移至相應蛋白質的過程，既可以形成可逆的甲基化修飾，如羧基端的甲基化修飾；也可以形成不可逆的甲基化修飾，如氨基端的甲基化修飾。在原核生物中也普遍存在蛋白質的甲基化。 在大腸桿菌和有關細菌中發(fā)現(xiàn)的一種甲基轉移酶能甲基化膜結合的化學受體蛋白的谷氨酸殘基。這種甲基轉移酶和另外一種甲基酯酶催化的甲基化/去甲基化過程在細菌趨化性的信號轉導中起重要作用。74.磷酸化 蛋白質的磷酸化是指通過酶促反應將磷

4、酸基團轉移到目的蛋白特定的氨基酸殘基上的過程，是可逆的。這是生物體內存在的一種普遍的調節(jié)方式，在細胞信號的傳遞過程中占有極其重要的地位。 近年來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由蛋白激酶和蛋白磷酸化酶催化的蛋白質磷酸化/去磷酸化在原核生物中十分普遍。磷酸化/去磷酸化的意義還不太清楚。目前只知在細菌趨化性和氮代謝調空中有瞬間的磷酸化作用。85.乙酰化 乙?；揎検紫仁窃谡婧松镏邪l(fā)現(xiàn)的，發(fā)生乙?；奈稽c是結合在DNA 上組蛋白的賴氨酸殘基著-NH2，對基因轉錄起到重要的調節(jié)作用。隨著研究的深入，近些年在原核生物中也發(fā)現(xiàn)了蛋白質乙酰化修飾。 DNA結合蛋白的乙?；揎?乙酰輔酶A合成酶(ACS)的乙?；揎椇颂求w蛋白的

5、乙?；揎?6.類泛素化 2008 年之前在原核生物中只發(fā)現(xiàn)了蛋白酶體，卻從未發(fā)現(xiàn)泛素或類泛素的蛋白質的修飾，因此一度認為蛋白酶體對原核生物蛋白質的降解完全依賴于蛋白質自身的組成和結構。 2008年,Pearce等在結核分枝桿菌中發(fā)現(xiàn)了與泛素功能相似的蛋白質,命名為原核類泛素蛋白(prokaryotic ubiquitin-like protein,Pup)。Pup可以在輔助因子的作用下標記多種功能蛋白,并介導被標記蛋白質通過蛋白酶體降解。Pup-蛋白酶體通路的發(fā)現(xiàn)揭示了原核生物中一個嶄新的蛋白質降解機制。 10第二節(jié) 真核生物的翻譯后加工 許多真核生物的新生肽都要經(jīng)過翻譯后加工或修飾，這種加

6、工修飾可以發(fā)生在延伸著的肽鏈中和翻譯后。 一般情況下，翻譯后修飾一是為了功能上的需要，另一種情況是折疊成天然構象的需要。1.1.切除加工切除加工2.2.糖基化糖基化3.3.羥基化羥基化4.4.磷酸化磷酸化5.5.脂?；；?.6.甲基化甲基化7.7.乙?；阴；?.8.泛素化泛素化9.9.二硫鍵形成二硫鍵形成111.切除加工 典型的情況包括切除N-端甲硫氨酸、信號肽序列和切除部分肽段將無活性的前體轉變成活性形式。 一些酶的前體（稱為前體酶proenzyme，或酶原zymegen）或無活性的多肽前體（稱為前體蛋白，proprotein）只有切除特定的肽段后才能從無活性形式轉變成活性形式。下圖是

7、胰島素的翻譯后加工。12包含信號肽的胰島素前體稱為 前 胰 島 素 原 （ p r e -proinsulin）。去掉信號肽的胰島素的前體稱為胰島素原(proinsulin)。進一步切除稱為C鏈的肽段后才能形成活性形式的胰島素（insulin）13 蜂毒素能溶解動物細胞，也能溶解蜜蜂自身的細胞，在細胞內合成沒有活性的前毒素，分泌進入刺吸器后，N端的22個氨基酸殘基被蛋白酶水解生成毒素。14 蛋白質內含子 90年代初，發(fā)現(xiàn)了兩類新的內含子。 一類是蛋白質內含子，其DNA序列與外顯子一起轉錄和翻譯，產(chǎn)生一條多肽鏈，然后從肽鏈中切除與內含子對應的氨基酸序列，再把與外顯子對應的氨基酸序列連接起來，成為

8、有功能的蛋白質。另一類是翻譯內含子，mRNA中存在與內含子對應的核苷酸序列，在翻譯過程中這一序列被“跳躍”過去，因此產(chǎn)生的多肽鏈不含有內含子對應的氨基酸序列。15162.糖基化 真核生物中糖基化修飾很普遍。 通常情況下，分泌蛋白的寡糖鏈較復雜，而內質網(wǎng)膜蛋白含有較高的甘露糖。下圖是細胞中涉及糖基化的蛋白173.羥基化 在結締組織的膠原蛋白和彈性蛋白中pro和lys是經(jīng)過羥基化的。 此外，在乙酰膽堿酯酶（降解神經(jīng)遞質乙酰膽堿）和補體系統(tǒng)（參與免疫反應的一系列血清蛋白）都發(fā)現(xiàn)有4-羥輔氨酸。 位于粗糙內質網(wǎng)（RER）上的三種氧化酶（脯氨酰-4-羥化酶，prolyl-4-hydroxylase，脯氨

9、酰-3-羥化酶和賴氨酰羥化酶，lysylhydroxylase）負責特定pro和lys殘基的羥化。 脯氨酰-4-羥化酶只羥化-Gly-x-pro-，脯氨酰-3-羥化酶羥化Gly-pro-4-Hyp（Hyp: hydroxyproline），賴氨酸羥化酶只作用于-Gly-X-lys-。膠原蛋白的脯氨酸殘基和賴氨酸殘基羥化需要Vc，飲食中Vc不足時就易患壞血癥（血管脆弱，傷口難愈），原因就是膠原纖維的結構不力（weak collagen fiber structure）。184.磷酸化 磷酸化是通過蛋白質磷酸化激酶將ATP 的磷酸基轉移到蛋白的特定位點上的過程。大部分細胞過程實際上是被可逆的蛋白磷

10、酸化所調控的, 至少有30%的蛋白被磷酸化修飾。 在磷酸化調節(jié)過程中，細胞的形態(tài)和功能都發(fā)生改變。可逆的磷酸化過程幾乎涉及所有的生理及病理過程, 如細胞信號轉導、腫瘤發(fā)生、新陳代謝、神經(jīng)活動、肌肉收縮以及細胞的增殖、發(fā)育和分化等。 Fisher 和Krebs 因其在蛋白質可逆磷酸化作為一種生物調節(jié)機制方面的研究而獲得1992 年諾貝爾生理學及醫(yī)學獎。1920蛋白質磷酸化蛋白質磷酸化 蛋白質磷酸化可分為4類：O-磷酸鹽、N-磷酸鹽、?；姿猁}和S-磷酸鹽。O-磷酸鹽是通過羥基氨基酸的磷酸化形成的，如絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸、羥脯氨酸或羥賴氨酸磷酸化；N-磷酸鹽是通過精氨酸、賴氨酸或組氨酸的磷酸化形

11、成的；?；姿猁}是通過天冬氨酸或谷氨酸的磷酸化形成的；而S-磷酸鹽則通過半胱氨酸磷酸化形成。21有絲分裂原激活蛋白激酶（有絲分裂原激活蛋白激酶（MAPKsMAPKs） MAPKs家族成員存在于所有的真核生物中，在多種信號傳遞過程中起作用。它們是一類絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶，Mr約為38000-55000，具有11個保守的蛋白激酶亞區(qū)。 22該家族成員包括該家族成員包括3 3種類型種類型 ： 1.1.分裂原活化的蛋白激酶（分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein mitogen-activated protein kinase, kinase, M

12、APKMAPK）；）；2.2.分裂原激活蛋白激酶的激酶（分裂原激活蛋白激酶的激酶（mitogen-activated mitogen-activated protein kinase kinase, protein kinase kinase, MAPKKMAPKK） 3.3.分裂原激活蛋白激酶的激酶之激酶（分裂原激活蛋白激酶的激酶之激酶（mitogen-mitogen-activated protein kinase kinase kinase, activated protein kinase kinase kinase, MAPKKKMAPKKK） 在真核細胞中，這在真核細胞中，這3 3

13、種類型的激酶構成一個種類型的激酶構成一個MAPKMAPK級聯(lián)系統(tǒng)級聯(lián)系統(tǒng)（mitogen-activated protein kinase cascademitogen-activated protein kinase cascade）, ,通過通過MAPKKK- MAPKK- MAPKMAPKKK- MAPKK- MAPK逐級磷酸化逐級磷酸化，將外來信號級聯(lián)放大并傳，將外來信號級聯(lián)放大并傳遞下去遞下去。 23MAPKKKMAPKKK位于級聯(lián)系統(tǒng)的最上游。它能夠通過脅迫信號感受器或位于級聯(lián)系統(tǒng)的最上游。它能夠通過脅迫信號感受器或者信號分子的受體，或者其本身就直接感受胞外信號刺激而發(fā)生者信號分子

14、的受體，或者其本身就直接感受胞外信號刺激而發(fā)生磷酸化。磷酸化。MAPKKKMAPKKK磷酸化后變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，可以使磷酸化后變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，可以使MAPKKMAPKK磷酸化。磷酸化。 MAPKKMAPKK始終存在于始終存在于細胞質細胞質中。中。MAPKKMAPKK磷酸化以后通過雙重磷酸磷酸化以后通過雙重磷酸化作用將化作用將MAPKMAPK激活，磷酸化的位點是激活，磷酸化的位點是蘇氨酸蘇氨酸/ /酪氨酸酪氨酸（Thr/TyrThr/Tyr）殘基。）殘基。 MAPKMAPK被磷酸化后有被磷酸化后有3 3種可能的去向：種可能的去向： （1 1）停留在細胞質中，激活一系列其它的蛋白激酶；）停留在細胞質中，

15、激活一系列其它的蛋白激酶；（2 2）在細胞質中使細胞骨架成分磷酸化；）在細胞質中使細胞骨架成分磷酸化；（3 3）進入細胞核，通過磷酸化轉錄因子，調控基因的表達。）進入細胞核，通過磷酸化轉錄因子，調控基因的表達。 245.5.脂?；；?真核生物體內的許多蛋白質在翻譯合成的同時或之后，常與脂類共價連接。其連接方式有的是直接的，有的是間接的；其存在部位有的是在細胞膜外表面，有的是在細胞膜內表面,還有的存在于細胞漿的可溶性區(qū)域中； 其功能涉及蛋白質與膜的連接、生長調節(jié)、形態(tài)發(fā)生、受體表達、膜融合以及保護蛋白免受水解作用等。尤其對于生物體內的信號轉導過程起著非常關鍵的作用, 脂化蛋白相當于細胞信號轉

16、導的開關。 脂化修飾多在蛋白質分子的N端甘氨酸殘基的氨基或靠近c端半胱氨酸殘基的巰基通過酰胺鍵或硫酯鍵與脂肪酸連接。能與蛋白質直接相連的脂肪酸有兩種，一種是肉豆蔻酸，另一種是棕櫚酸。25 非正常修飾的脂蛋白, 會影響信號轉導的過程。在30的人體腫瘤中都發(fā)現(xiàn)了Ras 蛋白的變體, 其中80腫瘤為惡性。在細胞內, 產(chǎn)生非正常修飾的原因是Ras 蛋白發(fā)生了點突變, 是化學信號刺激還是基因變異導致了Ras 蛋白的突變, 尚不清楚。以蛋白質脂基化作為藥物靶點已取得一定成績。 法呢基轉移酶把焦磷酸法呢酯(FPP)轉移到Ras蛋白的Cys巰基上。法呢基轉移酶抑制劑在抗腫瘤治療中具有很好的療效, 而對于正常的

17、細胞卻沒有任何毒性。同樣, 棕櫚酰基轉移酶抑制劑也表現(xiàn)出抗腫瘤特性, 對于乳腺癌、前列腺癌等均有作用。圖片：Ras蛋白的脂化修飾，生命的化學，1996.5266.甲基化 蛋白質的甲基化修飾是在甲基轉移酶催化下, 在賴氨酸或精氨酸側鏈氨基上進行的甲基化。甲基化增加了立體阻力, 并且取代了氨基的氫, 影響了氫鍵的形成。 因此, 甲基化可以調控分子間和分子與目標蛋白的相互作用。 另外也有對天冬氨酸或谷氨酸側鏈羧基進行甲基化形成甲酯的形式。天冬氨酸的甲基化能促進已破壞蛋白的修復或降解。27 組蛋白上的甲基化修飾 組蛋白對于轉錄等過程至關重要, 它是通過對其末端的化學修飾作用如磷酸化、乙?；图谆葏?/p>

18、與細胞核中生命活動。組蛋白賴氨酸和精氨酸的甲基化同轉錄調節(jié)和異染色體的形成有關。組蛋白乙?；皆黾优c轉錄活性增強有關, 而組蛋白甲基化修飾的結果則相對復雜, 它可以是轉錄增強或轉錄抑制。 組蛋白賴氨酸甲基化組蛋白精氨酸甲基化28 組蛋白賴氨酸甲基化。 組蛋白賴氨酸甲基化發(fā)生在H3-K4, H3-K9, H3-K27, H3-K36, H3-K79和H4-K20 上, 還可發(fā)生于H1 N 端。 H3-K9, H3-K27,H4-K20 的甲基化與染色體的鈍化過程有關, 而H4-K9 的甲基化可能與大范圍的染色質水平的抑制有關。 H3-K4, H3-K36, H3-K79 位的甲基化與染色體轉錄

19、激活過程有關, 其中H3-K4 的單甲基化修飾可以對抗H4-K9 甲基化所導致的基因抑制。29 組蛋白精氨酸甲基化 組蛋白精氨酸甲基化位點為H3-R2, H3-R4, H3-R17, H3-R26, 它們都可以增強轉錄。307.乙?；?組蛋白的乙?；龠M轉錄，去乙?；种妻D錄。 多聚谷氨酰胺疾病是一種神經(jīng)退行性遺傳病是由致病基因CAG 重復片段的擴大引起的。研究顯示, 在擴大的多谷氨酰胺誘導的疾病中, 蛋白的乙?；腿ヒ阴；氖Ш馐且粋€關鍵的過程。318.二硫鍵形成 二硫鍵通常只發(fā)現(xiàn)于分泌蛋白（如胰島素）和某些膜蛋白中，在細胞質中由于有各種還原性物質（如谷胱甘肽glutathione和硫氧還蛋

20、白thioredoxin），所以細胞質蛋白沒有二硫鍵。 因為內質網(wǎng)腔是一個非還原性環(huán)境，所以粗糙內質網(wǎng)上的新生肽只暫時形成二硫鍵。當新生肽進入內質網(wǎng)腔時，一些肽鏈可能會按氨基酸次序依次暫時形成二硫鍵，但最終會通過交換二硫鍵位置的形式形成正確的結構，內質網(wǎng)中可能還有二硫鍵異構酶（disulfide isomerase）催化該過程。329.泛素化 泛素由76個氨基酸組成, 高度保守, 普遍存在于真核細胞內,故名泛素。共價結合泛素的蛋白質能被蛋白酶識別并降解, 這是細胞內短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。與消化道內進行的蛋白質水解不同,從泛素與蛋白的結合到將蛋白水解成小的肽段, 整個水解過程需

21、要能量參與。33 泛素-蛋白酶系統(tǒng) 泛素-蛋白酶系統(tǒng)是存在于所有真核生物細胞的調控系統(tǒng)。20 世紀7080 年代, 泛素調節(jié)蛋白質降解的機理之謎被揭開,降解過程中需要三種酶的參與: 泛素激活酶(E1)、泛素結合酶(E2)和泛素蛋白質連接酶(E3)。 泛素化降解蛋白的過程中對蛋白的特異性識別依賴E3。由E2s 和E3s 介導的泛素化過程可以被去泛素化酶(DUBs)逆轉。 目前發(fā)現(xiàn)的DUBs 可分為兩大類:泛素碳端水解酶(ubiquitin C-terminal hydrolases,UCHs)和泛素特異性蛋白酶(ubiquitin-spicific processing proteases,UBPs), 兩者都是半胱氨酸水解酶。通常情況下, UCHs 主要水解羰基端的酯和泛素的氨基鍵, 也可以分解泛素前體, 生成活潑的泛素分子; UBPs 分解泛素多聚體鏈。34泛素-蛋白酶系