蛋白質(zhì)翻譯后修飾.PPT

1、1現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展 2008 Vol.8 17292008 Vol.8 17292 很長時(shí)間里，蛋白質(zhì)翻譯后修飾并未引起足夠重視，直到2004 年泛素介導(dǎo)蛋白質(zhì)降解的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)之后，這一情形才有明顯改觀。迄今，人們已發(fā)現(xiàn)多達(dá)200 多種的蛋白質(zhì)修飾。蛋白質(zhì)翻譯后修飾是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的關(guān)鍵步驟之一，是蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)反應(yīng)和相互作用的一個(gè)重要分子基礎(chǔ)，同時(shí)，它也是細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的重要靶點(diǎn)。 蛋白質(zhì)翻譯后修飾幾乎參與了細(xì)胞所有的正常生命活動(dòng)過程，并發(fā)揮十分重要的調(diào)控作用，目前已經(jīng)成為國際上蛋白質(zhì)研究的一個(gè)極其重要的領(lǐng)域。3第三章 蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)。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?；阴；?.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(dǎo)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(xì)菌中的一個(gè)例子就是多肽要插入細(xì)胞質(zhì)膜必須借助信號肽序列。2.糖基化 曾經(jīng)一度認(rèn)為糖基化只存在于真核細(xì)

3、胞中，但研究表明，原核生物中也存在蛋白質(zhì)的糖基化修飾，而且由于在糖基的單糖結(jié)構(gòu)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(zhì)的甲基化是指在甲基轉(zhuǎn)移酶催化下，甲基基團(tuán)由S- 腺苷基甲硫氨酸轉(zhuǎn)移至相應(yīng)蛋白質(zhì)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(zhì)的甲基化。 在大腸桿菌和有關(guān)細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的一種甲基轉(zhuǎn)移酶能甲基化膜結(jié)合的化學(xué)受體蛋白的谷氨酸殘基。這種甲基轉(zhuǎn)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(xì)菌趨化性的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用。74.磷酸化 蛋白質(zhì)的磷酸化是指通過酶促反應(yīng)將磷

4、酸基團(tuán)轉(zhuǎn)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(nèi)存在的一種普遍的調(diào)節(jié)方式，在細(xì)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(zhì)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(xì)菌趨化性和氮代謝調(diào)空中有瞬間的磷酸化作用。85.乙?；?乙?；揎検紫仁窃谡婧松镏邪l(fā)現(xiàn)的，發(fā)生乙?；奈稽c(diǎn)是結(jié)合在DNA 上組蛋白的賴氨酸殘基著-NH2，對基因轉(zhuǎn)錄起到重要的調(diào)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(zhì)乙酰化修飾。 DNA結(jié)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(zhì)的修飾，因此一度認(rèn)為蛋白酶體對原核生物蛋白質(zhì)的降解完全依賴于蛋白質(zhì)自身的組成和結(jié)構(gòu)。 2008年,Pearce等在結(jié)核分枝桿菌中發(fā)現(xiàn)了與泛素功能相似的蛋白質(zhì),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(biāo)記多種功能蛋白,并介導(dǎo)被標(biāo)記蛋白質(zhì)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(gè)嶄新的蛋白質(zhì)降解機(jī)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(gòu)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.乙酰化乙?；?.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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)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(dòng)物細(xì)胞，也能溶解蜜蜂自身的細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)合成沒有活性的前毒素，分泌進(jìn)入刺吸器后，N端的22個(gè)氨基酸殘基被蛋白酶水解生成毒素。14 蛋白質(zhì)內(nèi)含子 90年代初，發(fā)現(xiàn)了兩類新的內(nèi)含子。 一類是蛋白質(zhì)內(nèi)含子，其DNA序列與外顯子一起轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生一條多肽鏈，然后從肽鏈中切除與內(nèi)含子對應(yīng)的氨基酸序列，再把與外顯子對應(yīng)的氨基酸序列連接起來，成為

8、有功能的蛋白質(zhì)。另一類是翻譯內(nèi)含子，mRNA中存在與內(nèi)含子對應(yīng)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(nèi)含子對應(yīng)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(fù)雜，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白含有較高的甘露糖。下圖是細(xì)胞中涉及糖基化的蛋白173.羥基化 在結(jié)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(zhì)乙酰膽堿）和補(bǔ)體系統(tǒng)（參與免疫反應(yīng)的一系列血清蛋白）都發(fā)現(xiàn)有4-羥輔氨酸。 位于粗糙內(nèi)質(zhì)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(fù)責(zé)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(shí)就易患壞血癥（血管脆弱，傷口難愈），原因就是膠原纖維的結(jié)構(gòu)不力（weak collagen fiber structure）。184.磷酸化 磷酸化是通過蛋白質(zhì)磷酸化激酶將ATP 的磷酸基轉(zhuǎn)移到蛋白的特定位點(diǎn)上的過程。大部分細(xì)胞過程實(shí)際上是被可逆的蛋白磷

10、酸化所調(diào)控的, 至少有30%的蛋白被磷酸化修飾。 在磷酸化調(diào)節(jié)過程中，細(xì)胞的形態(tài)和功能都發(fā)生改變?？赡娴牧姿峄^程幾乎涉及所有的生理及病理過程, 如細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、腫瘤發(fā)生、新陳代謝、神經(jīng)活動(dòng)、肌肉收縮以及細(xì)胞的增殖、發(fā)育和分化等。 Fisher 和Krebs 因其在蛋白質(zhì)可逆磷酸化作為一種生物調(diào)節(jié)機(jī)制方面的研究而獲得1992 年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1920蛋白質(zhì)磷酸化蛋白質(zhì)磷酸化 蛋白質(zhì)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；酰基磷酸鹽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(gè)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(xì)胞中，這在真核細(xì)胞中，這3 3

13、種類型的激酶構(gòu)成一個(gè)種類型的激酶構(gòu)成一個(gè)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(xì)胞質(zhì)細(xì)胞質(zhì)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(diǎn)是激活，磷酸化的位點(diǎn)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(xì)胞質(zhì)中，激活一系列其它的蛋白激酶；）停留在細(xì)胞質(zhì)中，

15、激活一系列其它的蛋白激酶；（2 2）在細(xì)胞質(zhì)中使細(xì)胞骨架成分磷酸化；）在細(xì)胞質(zhì)中使細(xì)胞骨架成分磷酸化；（3 3）進(jìn)入細(xì)胞核，通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控基因的表達(dá)。）進(jìn)入細(xì)胞核，通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控基因的表達(dá)。 245.5.脂?；；?真核生物體內(nèi)的許多蛋白質(zhì)在翻譯合成的同時(shí)或之后，常與脂類共價(jià)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(xì)胞膜外表面，有的是在細(xì)胞膜內(nèi)表面,還有的存在于細(xì)胞漿的可溶性區(qū)域中； 其功能涉及蛋白質(zhì)與膜的連接、生長調(diào)節(jié)、形態(tài)發(fā)生、受體表達(dá)、膜融合以及保護(hù)蛋白免受水解作用等。尤其對于生物體內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程起著非常關(guān)鍵的作用, 脂化蛋白相當(dāng)于細(xì)胞信號轉(zhuǎn)

16、導(dǎo)的開關(guān)。 脂化修飾多在蛋白質(zhì)分子的N端甘氨酸殘基的氨基或靠近c(diǎn)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(zhì)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(huì)影響信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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(xì)胞內(nèi), 產(chǎn)生非正常修飾的原因是Ras 蛋白發(fā)生了點(diǎn)突變, 是化學(xué)信號刺激還是基因變異導(dǎo)致了Ras 蛋白的突變, 尚不清楚。以蛋白質(zhì)脂基化作為藥物靶點(diǎn)已取得一定成績。 法呢基轉(zhuǎn)移酶把焦磷酸法呢酯(FPP)轉(zhuǎn)移到Ras蛋白的Cys巰基上。法呢基轉(zhuǎn)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(xì)胞卻沒有任何毒性。同樣, 棕櫚酰基轉(zhuǎn)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(xué)，1996.5266.甲基化 蛋白質(zhì)的甲基化修飾是在甲基轉(zhuǎn)移酶催化下, 在賴氨酸或精氨酸側(cè)鏈氨基上進(jìn)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(diào)控分子間和分子與目標(biāo)蛋白的相互作用。 另外也有對天冬氨酸或谷氨酸側(cè)鏈羧基進(jìn)行甲基化形成甲酯的形式。天冬氨酸的甲基化能促進(jìn)已破壞蛋白的修復(fù)或降解。27 組蛋白上的甲基化修飾 組蛋白對于轉(zhuǎn)錄等過程至關(guān)重要, 它是通過對其末端的化學(xué)修飾作用如磷酸化、乙酰化和甲基化等參

18、與細(xì)胞核中生命活動(dòng)。組蛋白賴氨酸和精氨酸的甲基化同轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和異染色體的形成有關(guān)。組蛋白乙?；皆黾优c轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)有關(guān), 而組蛋白甲基化修飾的結(jié)果則相對復(fù)雜, 它可以是轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)或轉(zhuǎn)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(guān), 而H4-K9 的甲基化可能與大范圍的染色質(zhì)水平的抑制有關(guān)。 H3-K4, H3-K36, H3-K79 位的甲基化與染色體轉(zhuǎn)錄

19、激活過程有關(guān), 其中H3-K4 的單甲基化修飾可以對抗H4-K9 甲基化所導(dǎo)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(diǎn)為H3-R2, H3-R4, H3-R17, H3-R26, 它們都可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。307.乙?；?組蛋白的乙?；龠M(jìn)轉(zhuǎn)錄，去乙?；种妻D(zhuǎn)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(fù)片段的擴(kuò)大引起的。研究顯示, 在擴(kuò)大的多谷氨酰胺誘導(dǎo)的疾病中, 蛋白的乙?；腿ヒ阴；氖Ш馐且粋€(gè)關(guān)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(xì)胞質(zhì)中由于有各種還原性物質(zhì)（如谷胱甘肽glutathione和硫氧還蛋

20、白thioredoxin），所以細(xì)胞質(zhì)蛋白沒有二硫鍵。 因?yàn)閮?nèi)質(zhì)網(wǎng)腔是一個(gè)非還原性環(huán)境，所以粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的新生肽只暫時(shí)形成二硫鍵。當(dāng)新生肽進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔時(shí)，一些肽鏈可能會(huì)按氨基酸次序依次暫時(shí)形成二硫鍵，但最終會(huì)通過交換二硫鍵位置的形式形成正確的結(jié)構(gòu)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中可能還有二硫鍵異構(gòu)酶（disulfide isomerase）催化該過程。329.泛素化 泛素由76個(gè)氨基酸組成, 高度保守, 普遍存在于真核細(xì)胞內(nèi),故名泛素。共價(jià)結(jié)合泛素的蛋白質(zhì)能被蛋白酶識別并降解, 這是細(xì)胞內(nèi)短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。與消化道內(nèi)進(jìn)行的蛋白質(zhì)水解不同,從泛素與蛋白的結(jié)合到將蛋白水解成小的肽段, 整個(gè)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(xì)胞的調(diào)控系統(tǒng)。20 世紀(jì)7080 年代, 泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的機(jī)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(jié)合酶(E2)和泛素蛋白質(zhì)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(dǎo)的泛素化過程可以被去泛素化酶(DUBs)逆轉(zhuǎn)。 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