蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究進展 - 郭會燦-

1、·綜述與專論·生物技術(shù)通報BIOTECHNOLOGY BULLETIN2011年第7期蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究進展郭會燦(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系,石家莊050081摘要:翻譯后修飾在蛋白質(zhì)加工、成熟的過程中發(fā)揮著重要的作用,它可以改變蛋白質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì),影響蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象、立體位阻及其穩(wěn)定性,進而對蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性產(chǎn)生作用,引起蛋白質(zhì)的功能改變。修飾基團自身的結(jié)構(gòu)特性對蛋白質(zhì)的性質(zhì)、功能也會產(chǎn)生深遠的影響。在已有的研究基礎(chǔ)上,綜述蛋白質(zhì)翻譯后修飾的主要類型以及各修飾作用潛在的生物學(xué)功能。關(guān)鍵詞:蛋白質(zhì)翻譯后修飾糖基化乙?；核鼗姿峄疪esearch Progre

2、ss of Protein Translational ModificationsGuo Huican(Department of Chemistry ,Shijiazhuang Vocational Technology Institute ,Shijiazhuang 050081Abstract :Posttranslational modifications which play an important role in the course of protein processing as well as protein matu-ration ,could alter the phy

3、sical and chemical properties of proteinsAs a result ,the space conformation ,three-dimensional location and stability of proteins would change which may lead to the functional alteration of proteinsAlso ,the structure features of modified groups could produce a far-reaching impact on the properties

4、 as well as functions of proteinsBased on the existing research ,we reviewed the modifying types and their potential functions during posttranslational modifications in this paperKey words :Posttranslational modification Glycosylation Acetylation Polyubiquitination Phosphorylation收稿日期:2011-02-24作者簡介

5、:郭會燦,女,碩士,講師,研究方向:生物制藥;E-mail :hedongyang1983126com 生命有機體是一個復(fù)雜、動態(tài)的系統(tǒng),時刻進行著不斷的新陳代謝,產(chǎn)生新物質(zhì)、清除廢物質(zhì)及有害物質(zhì)、協(xié)調(diào)各個部位間的功能發(fā)揮。偶爾該系統(tǒng)也會發(fā)生紊亂,引發(fā)各種異常功能,出現(xiàn)疾病的癥狀。而這所有的一切都依賴于生物大分子蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是機體內(nèi)各種功能的執(zhí)行者,如機體免疫、細胞凋亡、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、刺激反應(yīng)及個體發(fā)育等。蛋白質(zhì)功能的正常發(fā)揮決定著有機體能否有序、高效的進行。體內(nèi)基因表達產(chǎn)物的正確折疊、空間構(gòu)象的正確形成決定了蛋白質(zhì)的正常功能,而翻譯后修飾在這個成熟過程中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。因為翻譯后修飾使蛋

6、白質(zhì)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,功能更為完善,調(diào)節(jié)更為精細,作用更為專一。并且細胞內(nèi)許多蛋白質(zhì)的功能也是通過動態(tài)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾來調(diào)控的;細胞的許多生理功能,例如細胞對外界環(huán)境的應(yīng)答1,2,也是通過動態(tài)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾來實現(xiàn)的。正是這種蛋白質(zhì)翻譯后修飾的作用,使得一個基因并不只對應(yīng)一個蛋白質(zhì),從而賦予生命過程更多的復(fù)雜性。因此,闡明蛋白質(zhì)翻譯后修飾的類型、機制及其功能對保障生命有機體的正常運轉(zhuǎn),預(yù)防、治療相關(guān)的疾病有著重要意義。1蛋白質(zhì)翻譯后修飾類型蛋白質(zhì)翻譯后修飾是一個復(fù)雜的過程,目前在真核生物中20種以上的修飾類型,比較常見的為糖基化、乙?；⒎核鼗?、磷酸化以及近年發(fā)現(xiàn)的SU-MO 化。11糖基化

7、在真核細胞中普遍存在低聚糖通過糖苷鍵與蛋白質(zhì)上特定的氨基酸共價結(jié)合的形式,主要包括O糖基化、N 糖基化、C 甘露糖化和GPI (glycophos-phatidlyinositol 錨定連接3。O 糖基化多發(fā)生在臨近脯氨酸的絲氨酸或蘇氨2011年第7期郭會燦:蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究進展酸殘基上,糖基化位點處的蛋白多為構(gòu)型。O多聚糖以逐步加接單糖的形式形成低聚糖,主要在高爾基體與細胞核或細胞質(zhì)中形成。發(fā)生在高爾基體上的糖基化,起始于絲氨酸和蘇氨酸羥基上連接N-乙酰半乳糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖及海藻糖等的還原端;發(fā)生在細胞核和細胞質(zhì)中的糖基化是在絲氨酸或蘇氨酸殘基上連接一個單糖N-乙酰葡萄糖胺

8、。在哺乳動物體內(nèi)最常見的O糖基化形式是由GalNAc轉(zhuǎn)移酶催化的O-GalNAc糖基化,進而連接Gal,GalNAc或者GlcNAc部分4,5。N糖基化是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上由糖基轉(zhuǎn)移酶催化,在內(nèi)分泌蛋白和膜結(jié)合蛋白的天冬酰氨殘基的氨基上結(jié)合寡糖的過程。普遍認(rèn)為N糖基化發(fā)生在蛋白Asn-Xaa-Ser/Thr(Xaa為除脯氨酸外的所有氨基酸殘基序列上。C甘露糖化是將一分子-mannopyr-anosyl殘基通過C-C鍵連接到色氨酸吲哚環(huán)C-2上,這種糖基化方式多發(fā)生在模體W-X-X-W,W-X-X-C或者W-X-X-F的第一個色氨酸殘基上。GPI錨定連接指的是磷脂酰纖維糖組在靠近蛋白C端部位結(jié)合,將蛋白

9、連接到細胞膜上3,57。12乙?；阴；揎椷^程主要發(fā)生在組蛋白上,是由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HATs催化的,其反過程去乙?；山M蛋白去乙酰酶(histone deacetylases,HDs或者HDACs催化的。核心組蛋白的N-末端富含賴氨酸,生理條件下帶正電,可與帶負電的DNA或相鄰的核小體發(fā)生作用,導(dǎo)致核小體構(gòu)象緊湊及染色質(zhì)高度折疊。乙?；菇M蛋白與DNA間的作用減弱,導(dǎo)致染色質(zhì)構(gòu)象松散,這種構(gòu)象有利于轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的接近,從而可以和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,促進基因的轉(zhuǎn)錄;去乙酰化則抑制基因轉(zhuǎn)錄8,9。13泛素化雖然泛素化所涉及的是蛋白的降解過程,但是研究表明這個過程對有機體的有序進行是必不可少的。泛素

10、由76個氨基酸組成,高度保守,普遍存在于真核細胞內(nèi)。共價結(jié)合泛素的多聚泛素蛋白質(zhì)能被26S蛋白酶體識別并降解,這是細胞內(nèi)短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。該降解過程中需要三種酶的參與:泛素激活酶(E1、泛素結(jié)合酶(E2和泛素蛋白質(zhì)連接酶(E3。其中E3負責(zé)對蛋白質(zhì)的特異性識別,E2和E3介導(dǎo)蛋白酶體的激活10,11。14磷酸化在有機體內(nèi),磷酸化是蛋白翻譯后修飾中最為廣泛的共價修飾形式,同時也是原核生物和真核生物中最重要的調(diào)控修飾形式。磷酸化對蛋白質(zhì)功能的正常發(fā)揮起著重要調(diào)節(jié)作用,涉及多個生理、病理過程,如細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、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12

11、,13。該過程主要是通過蛋白質(zhì)磷酸化激酶將ATP的末端磷酸基團轉(zhuǎn)移到蛋白的特定位點上,如Ser、Thr 和Tyr殘基上,而其逆向過程則由蛋白質(zhì)磷酸酶去除相應(yīng)的磷酸基團。正是這兩種酶的相反作用及其中所涉及到的能量消耗與生成使磷酸化成為體內(nèi)很多生理活動調(diào)控的首先方式,并且是目前所知的最主要的信號傳導(dǎo)方式14。15SUMO化小泛素相關(guān)修飾物(small ubiquitin-related mod-ifier,SUMO分子是一種近年發(fā)現(xiàn)的泛素樣分子,也參與蛋白質(zhì)翻譯后修飾,但是不介導(dǎo)靶蛋白的蛋白酶體降解,而是可逆性修飾靶蛋白,參與靶蛋白的定位及功能調(diào)節(jié)過程15,16。SUMO是由多個成員組成的蛋白質(zhì)家

12、族。酵母和果蠅各有1個SUMO編碼基因;哺乳動物至少有3個,分別表達SUMO1、SUMO2和SUMO3;植物可能表達8種SUMO。1995年Meluh和Koshland在釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)一種新的蛋白質(zhì)Smt3,這是關(guān)于SU-MO的最早報道。而SUMO這一名稱是Mahajan等于1997年首先提出來的。SUMO含有100個左右氨基酸殘基,其C端與泛蛋白有18%同源性,并且兩者的四級結(jié)構(gòu)都具有典型的“泛蛋白折疊”。與泛蛋白不同的是,SUMO的N端有一段長度可變的無序區(qū),大概含有1520個氨基酸殘基,可能參與介導(dǎo)蛋白質(zhì)之間相互作用15,17。2蛋白質(zhì)翻譯后修飾的生物學(xué)功能如前文所述,修飾基團的引入可能

13、會改變蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和空間構(gòu)象,從而引起蛋白質(zhì)的功能改變甚至異常,進而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。大量研究表明,糖基化在免疫保護、病毒的復(fù)制、細胞生長、細胞與細胞之間的黏附、炎癥的產(chǎn)生91生物技術(shù)通報Biotechnology Bulletin2011年第7期等過程中發(fā)揮重要作用,并且很多蛋白,如轉(zhuǎn)錄因子、核小孔蛋白、熱休克蛋白、RNA聚合酶、致癌基因翻譯產(chǎn)物、酶等,都發(fā)生了不同程度的糖基化修飾。大量文獻報道糖基化的紊亂與迅速發(fā)展的肌營養(yǎng)不良相關(guān),Muntoni等18通過對糖基轉(zhuǎn)移酶活性的鑒定,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致肌肉營養(yǎng)失調(diào)的新機制,在其研究的所有病例中,普遍存在非正常的-dystroglycan糖基化

14、。在帕金森病、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和其他與自由基相關(guān)的疾病患者體內(nèi),檢測到鐵轉(zhuǎn)移蛋白糖基化水平過高19。泛素化對于細胞分化、細胞器的生物合成、細胞凋亡、DNA修復(fù)、新蛋白生成、調(diào)控細胞增殖、蛋白質(zhì)輸運、免疫應(yīng)答和應(yīng)激反應(yīng)等生理過程都起到重要的作用。研究表明,在神經(jīng)元包含體中含有泛素化的纖維狀蛋白沉積物,是多種人類神經(jīng)退行性疾病如老年癡呆、帕金森病的主要特征。Engelender 等20發(fā)現(xiàn),Lewy體中存在泛素連接酶E3SIAH-1, SIAH-2與Synphilin-1的相互作用。Synphilin-1/SI-AH復(fù)合物無法水解,導(dǎo)致生成了大量泛素化的細胞內(nèi)含物。磷酸化對生命活動起著重要調(diào)節(jié)作用,它

15、的異常與癌癥有著微妙的關(guān)系。在癌癥研究中發(fā)現(xiàn),微管蛋白的磷酸化可能導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。細胞中使用“最后檢驗點策略”(LCP控制細胞凋亡,即將含有硝基化酪氨酸的-微管蛋白組裝到微管上,將導(dǎo)致微管功能失常而最終導(dǎo)致細胞凋亡。但如果微管蛋白酪氨酸連接酶(TTL被磷酸化,將可能使細胞“躲過”LCP控制的細胞凋亡,從而最終發(fā)展成為癌細胞21。大量研究表明,SUMO化修飾通過Dynamin相關(guān)蛋白DRP1參與線粒體分裂,參與DNA損傷修復(fù)、基因組穩(wěn)定性調(diào)節(jié),參與K2P離子通道的調(diào)控,同時SUMO還是生物節(jié)律調(diào)節(jié)的重要分子2224。SUMO化能影響淀粉樣前體蛋白產(chǎn)生淀粉樣肽(A,過表達SUMO23,誘導(dǎo)SUMO

16、化蛋白增加可抑制A的產(chǎn)生,過表達SUMO232K11R(其參與形成多SUMO鏈的賴氨酸殘基敲除則可產(chǎn)生相反的效應(yīng),說明單SUMO化可增強A的形成,而多SU-MO化則抑制A的形成。多聚谷氨酸(polyQ重復(fù)擴增可引起何杰金氏病(HD、脊髓小腦共濟失調(diào)、Machado-Joseph病和延髓脊髓性肌萎縮等神經(jīng)退行性疾病。研究顯示,患這些疾病的患者受損腦區(qū)神經(jīng)元SUMO21染色增強,說明SUMO化修飾也參與調(diào)節(jié)poly Q的重復(fù)擴增17,25,26。3展望蛋白質(zhì)的翻譯后修飾在生命有機體的正常有序運轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用,該過程的異常將直接影響蛋白質(zhì)功能的執(zhí)行,從而引發(fā)相應(yīng)的疾病產(chǎn)生。所以對蛋白質(zhì)

17、翻譯后修飾的深入研究將有助于人類預(yù)防、治療由其引發(fā)的各種異常以及疾病,從而給人類的生命提供一個保障。進入21世紀(jì)以來,隨著生命科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展、計算機圖像模擬的應(yīng)用、化學(xué)合成技術(shù)的改進,特別是三者的有機結(jié)合為更深入研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾提供了有力的條件,同時也為改造、修飾已有藥用蛋白的結(jié)構(gòu),獲得更多的藥效更高、選擇性更好的新的蛋白提供了一個新途徑。參考文獻1鄭學(xué)學(xué),朱力,廖祥儒,等細菌中常見的蛋白翻譯后修飾生物技術(shù)通訊,2009,20(4:568-5712郭燕婷,李艷梅,趙玉芬脂蛋白合成新進展有機化學(xué),2004,24(7:722-7273Blom N,Sicheritz-Pontén

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