生物化學(xué)綜述

1、生物化學(xué)課程論文 題 目： 蛋白質(zhì)翻譯后修飾綜述學(xué) 院： 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院（生化與分子） 成 員： 祝樂(lè)清（1433121003） 任課老師： 李 弘 劍二一五年一月七日蛋白質(zhì)翻譯后修飾摘要：后基因組時(shí)代的到來(lái)意味著生命科學(xué)研究重心轉(zhuǎn)向功能基因組學(xué)及功能蛋白質(zhì)組學(xué)等新領(lǐng)域(蛋白質(zhì)翻譯后修飾是蛋白質(zhì)組學(xué)的重要組成部分(蛋白質(zhì)經(jīng)翻譯后修飾改變自身的空間構(gòu)象、活性、穩(wěn)定性及其與其他分子相互作用等方面的性能，從而參與調(diào)節(jié)機(jī)體多樣化的生命活動(dòng)。多數(shù)蛋白質(zhì)存在翻譯后修飾，目前已知的蛋白質(zhì)共價(jià)修飾方式多達(dá)200余種，主要包括磷酸化、亞硝基化、硝基化、泛素化和小泛素相關(guān)修飾物化（SUMO）等。我們就蛋白質(zhì)翻譯

2、后修飾類型和生物學(xué)功能做以下綜述。關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)翻譯后修飾；磷酸化；糖基化；硝基化；亞硝基化；泛素化；SUMO1磷酸化磷酸化是蛋白質(zhì)翻譯后修飾中最廣泛的共價(jià)修飾方式，三磷酸腺苷/三磷酸鳥苷的位磷酸基團(tuán)經(jīng)磷酸化激酶催化轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)特定位點(diǎn)上，而其反向過(guò)程去磷酸化由蛋白磷酸酶催化去除相應(yīng)磷酸基團(tuán)。發(fā)生磷酸化的蛋白質(zhì)按磷酸化殘基不同分為4類：O-磷酸鹽蛋白質(zhì)"由羥氨基酸如絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基磷酸化形成：N-磷酸鹽蛋白質(zhì):由天冬氨酸或谷氨酸殘基磷酸化形成:?；姿猁}蛋白質(zhì):由精氨酸、賴氨酸或組氨酸殘基磷酸化形成：S-磷酸鹽蛋白質(zhì)：由半胱氨酸殘基磷酸化形成。其中，絲氨酸/蘇氨酸磷酸化主要

3、是通過(guò)改變蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)影響酶活性。酪氨酸磷酸化除上述作用外，更重要的是為與其他蛋白質(zhì)形成多蛋白復(fù)合體提供基團(tuán),而形成的多蛋白復(fù)合體可進(jìn)一步促進(jìn)蛋白質(zhì)磷酸化。在多細(xì)胞生物有絲分裂中，相比非磷酸化的組蛋白H380位點(diǎn)蘇氨酸，組蛋白H2A和H4優(yōu)先與其磷酸化形式反應(yīng)，增加與鄰近核小體結(jié)合。從而促進(jìn)染色質(zhì)的緊密貼合。表皮生長(zhǎng)因子受體654位的蘇氨酸經(jīng)蛋白激酶C催化發(fā)生磷酸化，可抑制溶酶體對(duì)其自身的降解，此外，654位蘇氨酸磷酸化可以保護(hù)表皮生長(zhǎng)因子與表皮生長(zhǎng)因子受體的結(jié)合。共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥突變基因磷酸化的小鼠CGG三聚體重復(fù)結(jié)合蛋白1的164位蘇氨酸是端粒的保護(hù)信號(hào)，未被磷酸化的CGG三聚體重

4、復(fù)結(jié)合蛋白1的164位蘇氨酸的過(guò)表達(dá)引起端?？s短和融合。融合基因斷裂點(diǎn)簇集區(qū)艾貝爾遜白血病病毒通過(guò)與泛素特異性修飾酶7酪氨酸殘基磷酸化（HAUSP）相互作用使后者HAUSP被激活,活化的HAUSP引起人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因去泛素化，并促使人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因經(jīng)核漿穿梭從細(xì)胞核易位到細(xì)胞質(zhì)，而細(xì)胞核中泛素化的人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因相應(yīng)減少，降低其抑制細(xì)胞增殖的作用。細(xì)胞周期蛋白依賴激酶5和糖原合成酶激酶3B使微管相關(guān)蛋白質(zhì)Tau異常高度磷酸化，聚集形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)是阿爾茨海默病2個(gè)病理學(xué)特征之一。2亞硝基化蛋白質(zhì)S-亞

5、硝基化是一種典型的氧化還原依賴的可逆的共價(jià)修飾方式，在機(jī)體生理、病理情況下均發(fā)揮著重要作用。NO氧化疏水區(qū)的半胱氨酸巰基，生成亞硝基硫醇和亞硝基化蛋白質(zhì)，前者包括亞硝基半胱氨酸和亞硝基谷胱甘肽，后者也稱蛋白質(zhì)巰基亞硝基化。去亞硝基化包括非酶依賴及酶依賴2條途徑，非酶依賴途徑主要是指大多數(shù)高分子質(zhì)量蛋白質(zhì)通過(guò)谷胱甘肽的轉(zhuǎn)亞硝基化作用發(fā)生去亞硝基化。而硫氧還蛋白氧化還原系統(tǒng)、亞硝基化谷胱甘肽還原酶系統(tǒng)、硫辛酸/硫辛酰胺脫氫酶還原型輔酶II系統(tǒng)等，則經(jīng)酶依賴的途徑發(fā)生去亞硝基化。多種酶在此過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，特別是亞硝基谷胱甘肽還原酶和硫氧還蛋白。Trx氧化還原系統(tǒng)包括Trx1、Trx1還原酶、還

6、原型輔酶II。Trx1中Cys73位點(diǎn)亞硝基化及具有氧化還原活性的32/35位點(diǎn)的Cys對(duì)Cys73位點(diǎn)的調(diào)節(jié)在介導(dǎo)轉(zhuǎn)亞硝基化中發(fā)揮重要的作用，主要催化低分子質(zhì)量的S-亞硝基化硫醇和其他S-亞硝基化的蛋白質(zhì)。亞硝基化的蛋白質(zhì)參與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，某些鈣離子、鉀離子、鈉離子通道發(fā)生亞硝基化，促進(jìn)通道開放，電流增加。細(xì)胞蛋白質(zhì)間的轉(zhuǎn)亞硝基化作用在基于介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮更普遍的作用，且新生成的亞硝基化的蛋白質(zhì)也參與NO介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)。由于細(xì)胞類型、細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)及NO水平不同，亞硝基化對(duì)細(xì)胞凋亡具有雙向調(diào)節(jié)作用，Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9、凋亡型號(hào)調(diào)節(jié)激酶1

7、、凋亡抑制蛋白、B淋巴細(xì)胞瘤2基因、N-甲基-D-天冬氨酸受體亞基2A、腫瘤抑制基因P53、Trxl、GOSPEL、抑癌基因人第10號(hào)染色體確實(shí)的磷酸酶及張力蛋白同源基因等特定位點(diǎn)的亞硝基化抑制細(xì)胞凋亡。3硝基化與亞硝基化不同的是，蛋白質(zhì)硝基化是不可逆的反應(yīng)。但主要有過(guò)氧亞硝基陰離子（ONOO）途徑和非（ONOO）途徑。前者指誘導(dǎo)型一氧化氮合酶過(guò)表達(dá)使水平升高，與活性氧簇反應(yīng)得到活性氮簇如ONOO-等，后者指亞硝酸鹽或其他含氮物質(zhì)在氧化劑存在時(shí)，經(jīng)含鐵卟啉的蛋白質(zhì)如H2O2催化而引發(fā)。硝基化沒(méi)有特定的序列要求，然而有研究發(fā)現(xiàn)，酪氨酸殘基的表面暴露、不存在立體位阻及其所處的靜電微環(huán)境是酪氨酸殘基

8、選擇性硝基化的決定因素，如人胱硫醚合酶發(fā)生硝基化的位點(diǎn)在色氨酸43、色氨酸208和酪氨酸223。色氨酸硝基化與酪氨酸不同的是：（1）硝化位點(diǎn)有1-位氮原子，2,4,5,6,7-位的碳原子，并且色氨酸可與ONOO-直接發(fā)生硝化反應(yīng)。（2）色氨酸與ONOO-反應(yīng)生成的產(chǎn)物種類繁多且呈劑量依賴性。（3）硝基化的酪氨酸比硝基化的色氨酸更普遍，在蛋白質(zhì)全部的氨基酸中，酪氨酸比色氨酸更普遍（酪氨酸占蛋白質(zhì)全部氨基酸的3%-4%。而色 氨 酸 僅1%）酪 氨 酸 與ONOO-反 應(yīng) 速 率 較 色 氨 酸快。ONOO-可以氧化酪氨酸磷酸酶的關(guān)鍵半胱氨酸殘基，抑制其活性，間接地增強(qiáng)了酪氨酸激酶活性，從而促進(jìn)酪

9、氨酸磷酸化。根據(jù)ONOO-濃度不同，分別促進(jìn)或抑制酪氨酸發(fā)生磷酸化。纖維蛋白原是心血管的危險(xiǎn)因子，而硝基化的纖維蛋白原有抑制血小板聚集和血栓形成的作用。脂多糖通過(guò)硝基化介導(dǎo)Ras同系物基因家族成員A活化，致內(nèi)皮屏障功能障礙引起肺損傷，給予Ras同系物基因家族成員A硝基化抑制多肽后，Ras同系物基因家族成員A硝基化水平、內(nèi)皮屏障功能障礙明顯降低。4泛素化泛素化是發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)以蛋白/多肽分子作為修飾因子的共價(jià)修飾方式,含經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑.經(jīng)典途徑指經(jīng)特定酶催化.將由76個(gè)氨基酸組成的、高度保守的一個(gè)或多個(gè)泛素分子共價(jià)結(jié)合到靶蛋白上，形成帶有多聚泛素鏈的靶蛋白：后者可與26s蛋白酶體中的19s亞

10、基結(jié)合。由20s亞基將其降解為含6-10個(gè)氨基酸殘基的小肽段。非經(jīng)典途徑泛素化指以單泛素化或通過(guò)K48以外的賴氨酸（K63、K29等）形成的多泛素化，通過(guò)改變底物蛋白的活性%在細(xì)胞中的定位和與其他蛋白相互作用的性能等方面參與生理活動(dòng)、3種關(guān)鍵酶(泛素活化酶：泛素聚集酶E1、泛素聚集酶E2和泛素連接酶E3，消耗ATP，泛素通過(guò)其C端與E1中具有活化作用的半胱氨酸形成高能硫脂鍵從而得到活化。然后E2從E1接受活化的泛素，并在E3的介導(dǎo)下將其偶聯(lián)到相應(yīng)底物蛋白賴氨酸的氨基上，通過(guò)在此過(guò)程中產(chǎn)生的泛素鏈則可在去泛素酶作用下降解成泛素單體，重新被使用。5 SUMO類泛素修飾因子與泛素有相似結(jié)構(gòu)和修飾過(guò)程

11、，SUMO是其中之一。相對(duì)分子質(zhì)量11000的SUMO分子與泛素分子氨基酸序列同源性只有約18%，但兩者空間結(jié)構(gòu)極其相似。在哺乳動(dòng)物中，目前已發(fā)現(xiàn)4種SUMO基因，分別為SUMO-1，SUMO-2，SUMO-3和SUMO-4.SUMO1-3在各種組織均可表達(dá)。而SUMO-4在腎臟表達(dá)最高，淋巴結(jié)和,脾臟也有表達(dá)。只有SUMO-1、SUMO-2和SUMO-3可與底物結(jié)合，SUMO-1主要修飾生理情況下蛋白質(zhì),SUMO-2和SUMO-3主要修飾應(yīng)激蛋白。SUMO化循環(huán)包括激活、結(jié)合、連接和去SUMO化過(guò)程。SUMO活化酶E1是異源二聚體，由Aosl和Uba2組成。2個(gè)亞基功能、調(diào)控均不同且需兩者同

12、時(shí)存在才能正常發(fā)揮功能。SUMO結(jié)合酶E2即Ubc9，由153個(gè)氨基酸組成，是一種核蛋白，可定位到核孔復(fù)合物的細(xì)胞質(zhì)側(cè)和核質(zhì)側(cè)。SUMO-Ubc9硫酯中間體，能促進(jìn)賴氨酸基團(tuán)形成牢固異肽鍵，進(jìn)而使SUMO分子結(jié)合到靶蛋白上。SUMO連接酶E3主要包括:PIAS、RanBP2和Pc2.該酶不與SUMO結(jié)合,而是通過(guò)活化Ubc9，縮短Ubc9與靶蛋白之間的距離，從而增強(qiáng)Ubc9到底物蛋白轉(zhuǎn)移效率和特異性。SUMO特異性蛋白酶目前人類已有6種(SUMO特異性蛋白酶1、2、3、4、5、6、7)，是一種雙功能酶，作用于SUMO前體C端,暴露雙甘氨酸殘基,使其活化:也可將SUMO分子從底物上解離出來(lái),重新

13、進(jìn)入SUMO化循環(huán)。含SUMO結(jié)合保守基序，該基序的存在可增加蛋白質(zhì)被SUMO化的可能性，但不是SUMO化發(fā)生的必要條件。SUMO底物在細(xì)胞不同部位都有分布，主要定位在細(xì)胞核,在大多數(shù)情況下，細(xì)胞內(nèi)SUMO化修飾主要抑制轉(zhuǎn)錄作用。SUMO也可通過(guò)熱休克因子1。熱休克因子2和-鏈蛋白轉(zhuǎn)錄因子對(duì)轉(zhuǎn)錄激活起正性調(diào)控作用。在細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中，著絲點(diǎn)及有絲分裂染色體相關(guān)蛋白的SUMO化對(duì)染色體分離至關(guān)重要。細(xì)胞內(nèi)SUMO可與泛素競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合底物蛋白的同一賴氨酸位點(diǎn)，達(dá)到阻止蛋白降解的作用。SUMO化的NF-kB抑制蛋白亞基、抑癌基因和亨廷頓蛋白可避免泛素化降解并保持自身穩(wěn)定。鋅指蛋白131SUMO化對(duì)雌激

14、素信號(hào)有負(fù)性調(diào)節(jié)作用及乳腺癌細(xì)胞增殖。與血液系統(tǒng)疾病相關(guān)的信號(hào)通路中多個(gè)關(guān)鍵分子發(fā)生SUMO化修飾，如用于急性早幼粒細(xì)胞白血病治療的三氧化二砷與融合蛋白早幼粒細(xì)胞白血病基因-維甲酸受體基因結(jié)合促使后者發(fā)生多聚SUMO化而經(jīng)泛素蛋白酶體系統(tǒng)降解，緩解癥狀。酪胺酰DNA磷酸二酯酶1對(duì)神經(jīng)DNA單鏈斷裂修復(fù)至關(guān)重要，而酪胺酰DNA磷酸二酯酶1SUMO化促進(jìn)其在DNA損傷部位的適當(dāng)聚集，保證修復(fù)的高效性.SUMO化對(duì)人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因的膜相關(guān)性和腫瘤抑制活性至關(guān)重要。小鼠短暫性局部缺血,脊髓表現(xiàn)大量的SUMO-2和SUMO-3.對(duì)局部缺血損傷有內(nèi)源性的神經(jīng)保護(hù)作用，從而產(chǎn)生

15、缺血耐受。6小結(jié)與展望蛋白質(zhì)翻譯后修飾對(duì)蛋白質(zhì)加工成熟、變構(gòu)和多樣化的功能有重要作用，研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾，將有助于認(rèn)識(shí)翻譯后修飾在機(jī)體生命中的意義和在分子水平上揭示復(fù)雜的蛋白質(zhì)功能，以及有助于控制蛋白質(zhì)翻譯后修飾過(guò)程并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，蛋白質(zhì)翻譯后修飾的普遍性、多樣性、選擇性、動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性，導(dǎo)致在整體水平上認(rèn)識(shí)翻譯后修飾仍有困難，其生物學(xué)意義等仍不十分清楚，有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1 Hammond SL, Byrum SD, Namjoshi S, et al. Mitotic phosphorylation of histone H3 threonine 80. Cell Cycle

16、,2014,13: 440-552.2 Liu M, Idkowiak-Baldly J, Roddy PL, et al. Sustained activation of protein kinase C induces delayed phosphorylation and regulates the fate of epidermal growth factor receptor. PloS One, 2013, 8: e80721.3 Singh U, Maturi V, Jones RE, et al.CGGBP1 phosphorylation constitutes a telo

17、mere-protection signal. Cell Cycle, 2014,13: 96-105.4 Jayapalan S, Natarajan J. The rple of CDK5 and GSK3B kinases in hyperphosphosphorylation of microtubule associated protein tau(MAPT) in Alzheimer, s disease.Bioinformation,2013,9:1023-1030.5 Wang H, Viatchenko-Karpinski S, Sun J, et al. Regulatio

18、n of myocyte contraction via neuronal nitric oxide synthase: role of ryanodine receptor S-nitrosylation. J Physiol,2010, 588:2905-2917.6 Nakamura T, Lipton SA. Emerging role of protein-protein transnitrosylation in cell signaling pathways. Antioxid Redox Signal, 2013, 18: 239-249.7 Sen N, Hara MR, A

19、hmad AS, et al. GOSPEL: a neuroprotective protein that binds to GAPDH upon S-nitrosylation. Neuron, 2009, 63: 81-91.8 Li H, Wan A, Xu G, et al. Small changes huge impact: the role of thioredoxin 1 in the regulation of apoptosis by S-nitrosylation. Acta Biochim Biophys Sin, 2013, 45:153-161.9 Grau M, Pauly S, Ali J, et al. RBC-NOS-dependent S-nitrosylation of cytoskeletal proteins improves RBC deformability, PloS One, 2013, 8: e56759.10 劉世榮 SUMO化修飾: 一種多功能的蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式,醫(yī)