蛋白質(zhì)翻譯后修飾
2024-11-12 09:33:13
來源/作者：普拉特澤-生物醫(yī)學(xué)整體課題外包平臺
人類約有2.5W個基因、小鼠約有3W個基因、水稻約有5-6W個基因、擬南芥約有2.5W個基因、果蠅約有1-1.5W個基因、酵母約有6500個基因。
問題來了？有這么多基因，就會有這么多蛋白質(zhì)嗎？
如果按一個基因?qū)?yīng)一個蛋白質(zhì)來算，人類的2.5萬個基因能翻譯合成2.5萬種蛋白質(zhì)，解析人類全部蛋白質(zhì)似乎指日可待。但，事與愿違，這2.5萬種基因編碼的蛋白質(zhì)個個都是“千變?nèi)f化”的孫悟空，而且每個孫悟空，都具有超過400種不同的變化形態(tài)，不同的變化形態(tài)還可能同時進(jìn)行。因此，解析全部的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能，就變得非常非常的困難，這令科學(xué)家們點燈熬油、抓耳撓腮、還百思不得其解。。。
為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？聽過我們之前，關(guān)于轉(zhuǎn)錄本那期的小伙伴可能知道，單個基因在轉(zhuǎn)錄后，可以通過可變剪接、或RNA編輯等，產(chǎn)生多個不同的轉(zhuǎn)錄本，不同的轉(zhuǎn)錄本可以形成不同的蛋白質(zhì)亞型，這，是蛋白質(zhì)多樣性的第一個原因。
而導(dǎo)致蛋白質(zhì)千變?nèi)f化的第二個原因，則是蛋白質(zhì)翻譯后修飾的存在。
顧名思義，蛋白質(zhì)的翻譯后修飾就是指，在已經(jīng)翻譯出來的蛋白質(zhì)上，添加上各種千奇百怪的功能基團的過程。據(jù)報道，人體內(nèi)發(fā)生的蛋白質(zhì)翻譯后修飾種類，超過了400種，常見的，有磷酸化修飾、甲基化修飾、乙?；揎?、泛素化修飾、糖基化修飾、蘇木化修飾、乳酸化修飾等等。。。。這些可以單獨、或多個，同時發(fā)生于某個特定時空里的蛋白質(zhì)上，也可以發(fā)生在蛋白質(zhì)生命周期的任何階段。簡單來說，我們，可以把剛剛翻譯出來的蛋白質(zhì)看成是一個剛出生的小baby，把各種修飾看成是baby的衣服或裝飾品，在他今后的各個人生階段，他都可能會穿上不同的衣服，佩戴不同的裝飾品，直到生命的終點。搞不好，他還可能是一位穿搭博主或Coser，令認(rèn)識他的人每次碰到他都很難認(rèn)得出來。除了修飾的多樣性外，蛋白質(zhì)的翻譯后修飾也是可逆的，就像這個baby穿上了某件衣服后，也可以脫下這件衣服一樣。
如果說，轉(zhuǎn)錄水平和mRNA 水平的變化增加了轉(zhuǎn)錄組相對于基因組的大小，那么無數(shù)種不同的蛋白質(zhì)翻譯后修飾類型，則使得蛋白質(zhì)組的大小相較于基因組和轉(zhuǎn)錄組呈現(xiàn)指數(shù)型的增加。目前，人體內(nèi)的蛋白質(zhì)總數(shù)已超過一億種?？茖W(xué)家們的目光也從基因組水平過渡到了更加復(fù)雜多變的蛋白質(zhì)組，這，是一個必然的研究趨勢。
圖一、多種蛋白質(zhì)形成的原因
我們來看看，如果DNA、RNA、蛋白質(zhì)這三種生物大分子是一對一的關(guān)系，那么
2.5萬個基因，2.5萬個轉(zhuǎn)錄本，2.5萬種蛋白質(zhì)，Over。
但現(xiàn)實是，2.5萬個基因，10萬種轉(zhuǎn)錄本，一億多種蛋白質(zhì)。
二、蛋白質(zhì)翻譯后修飾有哪些類型？
本期視頻我們將帶大家了解研究最為廣泛的第三類蛋白質(zhì)翻譯后修飾，也就是氨基酸殘基的共價修飾。其余兩類修飾：一級結(jié)構(gòu)修飾，以及輔基及金屬離子的結(jié)合修飾，受制于篇幅原因，本期視頻不做特別講解。
那什么是蛋白質(zhì)氨基酸殘基的共價修飾呢？兩個重點，一，是發(fā)生在蛋白質(zhì)氨基酸殘基的側(cè)鏈上，而非蛋白質(zhì)主鏈上。二，是共價修飾。共價修飾是指蛋白肽鏈上的一些基團與化學(xué)基團或小蛋白質(zhì)發(fā)生可逆的共價結(jié)合，從而改變蛋白的性質(zhì)和功能。常見的共價修飾方式包括磷酸化、泛素化、甲基化、乙酰化、糖基化、乳酸化等等，由專門的酶類催化。接下來我們就將目前常見的幾類修飾類型一一進(jìn)行講解。
圖二、蛋白質(zhì)翻譯后修飾類型
1. 磷酸化：
首先，我們來看一下蛋白質(zhì)的磷酸化。在學(xué)習(xí)磷酸化這一修飾過程之前，我們先來了解一些背景知識：有研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)控制我們身體中重要生理功能過程的蛋白質(zhì)，如肌肉收縮或神經(jīng)傳導(dǎo)，以兩種狀態(tài)存在：靜息與活躍。在細(xì)胞的靜息狀態(tài)下，它們是不活動的，而需要發(fā)揮作用時，這些蛋白質(zhì)會通過添加或移除磷酸基團改變構(gòu)象，從靜息形式轉(zhuǎn)換為活性形式，從而發(fā)揮生理功能，這一過程就涉及到蛋白質(zhì)的磷酸化或去磷酸化。
蛋白質(zhì)磷酸化是指由蛋白質(zhì)激酶催化的，將ATP（三磷酸腺苷）或GTP（三磷酸鳥苷）上的磷酸基團轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基（主要是絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸）上的過程。該過程的逆過程則稱為去磷酸化。添加磷酸基團的酶叫做蛋白激酶，移除磷酸基團的酶叫做蛋白磷酸酶。初高中時期我們學(xué)習(xí)的ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化，應(yīng)該是我們生物學(xué)習(xí)中最早接觸的磷酸化和去磷酸化，也是目前最主要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式。
接下來我們一起來看一下磷酸基團是如何加到目標(biāo)蛋白上去的。
圖三、磷酸化作用機制
磷酸化到底有多重要呢？在研究信號通路的活化過程中，為什么大家都選擇檢測磷酸化修飾的蛋白質(zhì)？因為蛋白質(zhì)磷酸化修飾幾乎包含在所有的細(xì)胞反應(yīng)中，也幾乎涉及所有類型的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。這種修飾方式能夠迅速且可逆地調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性、穩(wěn)定性和相互作用，是細(xì)胞對外界刺激作出反應(yīng)的重要機制。
那么發(fā)生磷酸化后的蛋白質(zhì)會發(fā)生什么變化呢？
① 首先，發(fā)生磷酸化后，蛋白質(zhì)的表面電荷或構(gòu)象會發(fā)生改變。這種變化可能使得某些酶類蛋白質(zhì)的活性位點更加暴露或易于與底物結(jié)合，從而增強酶的催化能力，也可能影響到其與其他蛋白質(zhì)或DNA、RNA等核酸的結(jié)合能力。
② 其次，磷酸化修飾可以影響蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的定位。例如，某些蛋白在磷酸化后可以暴露或隱藏自己的核定位信號，從而影響其在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間的穿梭。
1. 泛素化：
今天我們要學(xué)習(xí)的第二個蛋白質(zhì)翻譯后修飾的類型是泛素化，在這之前也需要了解一些背景知識。首先問大家一個問題，什么是泛素？泛素是含76個氨基酸、大小約為8.6 kDa的小蛋白質(zhì)。人類基因組中有四個基因編碼泛素：UBB，UBC，UBA52和RPS27A，泛素蛋白的氨基酸序列為：MQIFVKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG。泛素具有7個賴氨酸殘基（K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63）和一個甲硫氨酸殘基（M1）。泛素之間主要通過賴氨酸殘基和甲硫氨酸殘基進(jìn)行連接，由此產(chǎn)生的泛素鏈具有一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可通過對蛋白底物進(jìn)行修飾并決定底物的功能。
圖四、泛素分子的結(jié)構(gòu)
將泛素添加到底物蛋白質(zhì)中的過程稱為蛋白質(zhì)的泛素化（具體表現(xiàn)為泛素的甘氨酸的C末端附加在目標(biāo)蛋白的賴氨酸上），這種現(xiàn)象在真核生物中普遍存在且高度保守。蛋白質(zhì)泛素化是一種動態(tài)的翻譯后修飾，幾乎涉及真核生物生命活動的所有方面。
泛素化的過程主要涉及三種酶類，分別是泛素激活酶E1、泛素結(jié)合酶E2、泛素連接酶E3。人源的E1酶類有2種：UBA1和UBA6；人源的E2酶類有35種；人源E3酶類有數(shù)百種。其中E3泛素化連接酶決定靶蛋白的特異性識別。泛素化的過程具體可分為以下三個步驟：活化、結(jié)合、連接（動畫演示）
簡而言之，也就是在E1、E2、E3三類酶的依次催化下，泛素以特異性的方式連接到靶標(biāo)蛋白上或泛素鏈上。泛素化的逆過程為去泛素化，該過程由去泛素化酶（DUB）執(zhí)行，去泛素化酶可以通過水解泛素分子之間或泛素與底物蛋白之間的肽鍵或異肽鍵，來逆轉(zhuǎn)泛素化修飾。該酶從底物中除去泛素并將泛素再循環(huán)到胞質(zhì)池中。
圖五、泛素化作用機制
被泛素化修飾后的蛋白質(zhì)功能發(fā)生了哪些變化呢？
① 泛素化最為人熟知的作用是標(biāo)記蛋白質(zhì)進(jìn)而蛋白質(zhì)降解。泛素化過程中形成的泛素化鏈被26S蛋白酶體識別并介導(dǎo)蛋白質(zhì)的降解，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的數(shù)量和細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)狀態(tài)。此外，有些膜蛋白質(zhì)或者酶被泛素化之后會進(jìn)入溶酶體進(jìn)而被降解。但是如果是單個泛素分子附著在靶蛋白上，這種修飾類型通常不會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的降解，而是通過改變蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的活性。
② 泛素化可以修復(fù)DNA并調(diào)控轉(zhuǎn)錄。某些修復(fù)因子通過泛素化被招募到DNA損傷位點，從而參與DNA修復(fù)過程。此外，轉(zhuǎn)錄因子的泛素化可以影響其穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄活性，從而調(diào)控基因表達(dá)。
③ 泛素化可以影響蛋白質(zhì)的定位。例如，它可以將蛋白質(zhì)從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，或者將膜蛋白送入內(nèi)吞途徑。
④ 泛素化還調(diào)節(jié)受體蛋白的內(nèi)吞和降解。泛素化修飾后的受體被內(nèi)吞小體識別并包裹，形成內(nèi)吞囊泡，進(jìn)而與溶酶體融合，完成受體的降解。
⑤ 泛素化可以調(diào)控細(xì)胞自噬的過程。在自噬過程中，泛素化標(biāo)記了需要被自噬體包圍并降解的損壞的細(xì)胞器或蛋白質(zhì)聚集體。這是細(xì)胞清理內(nèi)部大分子結(jié)構(gòu)的一種機制。
1. 蘇木化：
蘇木（SUMO）是小泛素相關(guān)修飾物（small ubiquitin-related modifier）的縮寫，蘇木蛋白的大小約為10kDa，含有100個氨基酸殘基。蘇木蛋白與泛素的序列相似性僅18%，但二者在高級結(jié)構(gòu)上高度相似，核心都是保守的Ub折疊（Ub-fold）結(jié)構(gòu)域。蘇木蛋白與泛素蛋白有一個比較明顯的區(qū)別，那就是蘇木蛋白有一個長而靈活的N端延伸結(jié)構(gòu)。
在人類基因組中，目前主要有4種亞型的SUMO蛋白，分別是SUMO1、SUMO2、SUMO3和SUMO4。這些亞型具有一定的序列差異，但總體上都保持了相似的結(jié)構(gòu)和功能。在氨基酸水平上，SUMO2與SUMO3具有97%的同源性（通常簡稱為SUMO2/3），而其與SUMO1只有46%的同源性。目前SUMO1、SUMO2、SUMO3的功能已陸續(xù)被解析，SUMO4主要在腎臟、脾臟組織和淋巴結(jié)等免疫組織中表達(dá)，其功能尚不明確，但有研究發(fā)現(xiàn)SUMO4與1型糖尿病的易感性具有相關(guān)性。
圖六、蘇木蛋白與泛素蛋白的結(jié)構(gòu)比較
蛋白質(zhì)蘇木化（SUMOylation），是指小分子泛素相關(guān)修飾蛋白SUMO共價結(jié)合到目的蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基上，導(dǎo)致目的蛋白分子被修飾的過程。1996年，類泛素蛋白修飾分子SUMO及SUMO化修飾首次被研究報道，近20年來，從酵母到人等各種真核細(xì)胞都發(fā)現(xiàn)其修飾的底物蛋白，SUMO化修飾已經(jīng)被視為一種很普遍的蛋白翻譯后修飾方式。SUMO化修飾同樣是一個可逆的過程。去蘇木化蛋白（如SENPs）可以去除與目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)合的SUMO分子，從而恢復(fù)目標(biāo)蛋白質(zhì)的原始狀態(tài)。這種可逆性使得SUMO化修飾在細(xì)胞信號傳導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控中具有重要的調(diào)節(jié)作用。
蛋白質(zhì)蘇木化主要包括以下步驟：SUMO前體的成熟、活化、結(jié)合、連接等
圖七、蘇木化作用機制
蛋白質(zhì)經(jīng)歷蘇木化修飾后其功能會發(fā)生哪些變化呢?
① 首先SUMO化可以保護(hù)蛋白質(zhì)免受泛素化和蛋白質(zhì)降解。例如，PML蛋白的SUMO化可以防止其被降解，從而增強其穩(wěn)定性。
② 改變蛋白質(zhì)的細(xì)胞內(nèi)分布：SUMO化可以調(diào)控蛋白質(zhì)在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間的轉(zhuǎn)運。例如，某些轉(zhuǎn)錄因子在SUMO化后會轉(zhuǎn)運到細(xì)胞核內(nèi)，從而調(diào)控基因表達(dá)。
③ 調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的活性：SUMO化可以抑制或激活轉(zhuǎn)錄因子的活性。例如，p53蛋白的SUMO化可以抑制其轉(zhuǎn)錄活性，從而調(diào)控細(xì)胞周期和凋亡。
④ 調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用：SUMO化可以改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象或表面特性，從而影響其與其他蛋白質(zhì)的結(jié)合。例如，SUMO化的RanGAP1在核孔復(fù)合體中的定位依賴于其與RanBP2的相互作用。
⑤ 參與DNA修復(fù)：SUMO化可以調(diào)節(jié)參與DNA修復(fù)的蛋白質(zhì)的功能。例如，RAD51蛋白的SUMO化對同源重組修復(fù)過程至關(guān)重要。
⑥ 調(diào)控細(xì)胞周期（影響細(xì)胞周期的進(jìn)程：SUMO化通過調(diào)控細(xì)胞周期相關(guān)蛋白的活性和穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的各個階段。例如，細(xì)胞周期蛋白CDK1的SUMO化在細(xì)胞分裂過程中起重要作用。
⑦ 調(diào)控凋亡：SUMO化可以調(diào)節(jié)凋亡相關(guān)蛋白的活性，從而影響細(xì)胞存活和凋亡。例如，Fas相關(guān)死亡域蛋白（FADD）的SUMO化可以抑制細(xì)胞凋亡。
2. 乙?；?/span>
乙?；窃谝阴；D(zhuǎn)移酶的作用下，將乙酰的乙?；?/span>COA連接到蛋白質(zhì)賴氨酸殘基上上的過程。在去乙?；傅拇呋率挂阴；鞍酌撊ヒ阴；倪^程則為去乙酰化。蛋白質(zhì)乙?；饕譃閮深悾旱鞍?/span>N端的乙?；揎椇偷鞍踪嚢彼嵘系囊阴；揎?。
① N端乙酰化修飾：主要由N乙酰轉(zhuǎn)移酶（NATs）催化，多發(fā)生在真核生物的新生蛋白上。
② 賴氨酸乙?；揎棧菏且粋€可逆的過程，主要由賴氨酸乙酰化酶（KATs）催化乙?；?，賴氨酸去乙?；福?/span>KDACs）催化去乙?；?。
乙酰化修飾在真核和原核生物中都普遍存在，且對蛋白質(zhì)構(gòu)象、活性以及穩(wěn)定性等調(diào)控具有重要的調(diào)控作用。最早的乙?；芯恐饕性诮M蛋白上，隨著研究的深入，也有越來越多的非組蛋白乙?；话l(fā)現(xiàn)。
賴氨酸乙?；揎?/span>主要包括以下步驟：（動畫演示）
① 在乙?；D(zhuǎn)移酶的催化下，乙酰輔酶A與蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基發(fā)生反應(yīng)。
② 乙酰基轉(zhuǎn)移酶提供反應(yīng)的微環(huán)境，使得攜帶乙?；囊阴］o酶A與接受乙酰基的受體蛋白（蛋白質(zhì)賴氨酸殘基）高度貼近。
③ 轉(zhuǎn)乙?；复呋嚢彼釟埢陌被ベ|(zhì)子化，使其處于親核狀態(tài)，進(jìn)而親和進(jìn)攻乙酰輔酶A的羰基碳。
④ 最后，完成蛋白質(zhì)的乙?；⑨尫泡o酶A。
圖八、乙?；饔脵C制
蛋白質(zhì)經(jīng)歷乙?；揎椇笃涔δ軙l(fā)生哪些變化呢?
① 影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)：組蛋白乙酰化是調(diào)控基因表達(dá)的重要機制之一。組蛋白上的賴氨酸殘基被乙酰化后，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更加松散，使得轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶更容易接觸DNA，從而促進(jìn)基因表達(dá)。反之，去乙酰化會使染色質(zhì)變得更加緊密，抑制基因表達(dá)。
② 調(diào)控蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性：乙?；揎椏梢员Ｗo(hù)蛋白質(zhì)免受泛素化和隨后的蛋白質(zhì)降解。例如，p53蛋白的乙酰化可以增強其穩(wěn)定性和功能，抑制其被泛素化和降解。
③ 調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用：乙?；梢灾泻唾嚢彼釟埢恼姾?。這種電荷變化可以影響蛋白質(zhì)與其他帶電分子或蛋白質(zhì)的結(jié)合能力。例如，乙?；?/span>p300/CBP與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性。
④ 調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的活性：乙?；梢愿淖冝D(zhuǎn)錄因子的構(gòu)象，從而影響其DNA結(jié)合能力和轉(zhuǎn)錄活性。例如，乙?；?/span>p53具有更高的轉(zhuǎn)錄活性，可以有效啟動凋亡相關(guān)基因的表達(dá)。
⑤ 調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程及凋亡：乙?；梢哉{(diào)節(jié)細(xì)胞周期蛋白及凋亡相關(guān)蛋白功能，影響細(xì)胞周期的各個階段及細(xì)胞的生存和凋亡。
⑥ 參與DNA修復(fù)：乙?；牡鞍自?/span>DNA損傷部位的聚集，有助于DNA修復(fù)蛋白的招募和修復(fù)過程的進(jìn)行。
⑦ 調(diào)節(jié)代謝酶的活性：乙酰化后的蛋白代謝酶的功能和活性改變。例如，乙酰化的丙酮酸脫氫酶（PDH）活性降低，影響葡萄糖代謝過程。
⑧ 應(yīng)對細(xì)胞應(yīng)激條件：乙?；蟮牡鞍渍ㄟ^調(diào)控應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)蛋白的活性和穩(wěn)定性，幫助細(xì)胞應(yīng)對各種應(yīng)激條件。例如，熱休克蛋白Hsp90的乙?；趹?yīng)激條件下調(diào)控其功能。
3. 糖基化
在學(xué)習(xí)糖基化之前我們先來了解一下糖和糖蛋白。糖蛋白是由糖類與蛋白質(zhì)共價結(jié)合的分子，糖類的范圍從單糖到復(fù)雜具有側(cè)鏈結(jié)結(jié)構(gòu)的多糖，種類眾多。而糖基化是一種將糖類分子通過共價鍵連接到蛋白質(zhì)氨基酸殘基上的過程，這個過程通常在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中進(jìn)行，涉及多種糖基轉(zhuǎn)移酶的參與。糖基化過程十分復(fù)雜，目前在很多蛋白中（如轉(zhuǎn)錄因子、熱休克蛋白、核小孔蛋白、RNA聚合酶II、致癌基因翻譯產(chǎn)物、酶等）都發(fā)現(xiàn)了糖基化這種翻譯后修飾方式。
蛋白質(zhì)糖基化主要有兩種類型:O-糖基化和N-糖基化。O-糖基化發(fā)生在絲氨酸(Ser)和蘇氨酸（Thr）的羥基上，如果這些氨基酸首先被羥基化，也可以發(fā)生在賴氨酸（Lys）和脯氨酸（Pro）上。O-糖基化由于沒有明確的共識序列或共同核心結(jié)構(gòu)，因此研究較為復(fù)雜。
而N-糖基化主要涉及糖鏈與新生肽鏈中特定天冬酰胺（Asn）自由的NH2的連接，也是目前主要研究的對象。N-糖基化有一段共識序列：Asn-Xaa-Ser/Thr，其中Xaa代表除脯氨酸（Pro）以外的任何氨基酸。這個序列是N-糖基化發(fā)生的基礎(chǔ)，即當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)序列中存在這樣的天冬酰胺（Asn）殘基時，其側(cè)鏈的氨基就有可能被N-連接的糖鏈所修飾。N-糖基化
還有一個共同核心結(jié)構(gòu)是一個由2個N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）和3個甘露糖（Man）分子組成的五糖結(jié)構(gòu)，通常表示為GlcNAc2Man3。這個核心結(jié)構(gòu)是N-糖鏈的基礎(chǔ)，所有的N-糖鏈都是在這個核心結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步延伸和修飾而成的。
糖基化包括五個步驟（以N-糖基化為例）：寡糖鏈合成、轉(zhuǎn)移酶識別、糖鏈轉(zhuǎn)移、加工修飾。（動畫演示）
圖九、糖基化作用機制
作為一種普遍存在的翻譯后修飾，糖基化后的蛋白質(zhì)功能有哪些改變呢？
① 免疫保護(hù)：糖基化可以影響免疫球蛋白（抗體）的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響其識別并結(jié)合抗原的能力。此外，細(xì)胞表面的糖基化蛋白還能作為“自我”與“非我”的識別標(biāo)志，幫助免疫系統(tǒng)區(qū)分外來病原體和自身組織。
② 病毒的復(fù)制：病毒在感染細(xì)胞時，會利用宿主細(xì)胞的糖基化機制來修飾自己的蛋白質(zhì)和糖蛋白，這些修飾對于病毒顆粒的組裝、成熟、釋放以及逃避宿主免疫系統(tǒng)的攻擊都至關(guān)重要。例如，流感病毒的血凝素（HA）蛋白上的糖基化修飾可以影響病毒的感染性和抗原性。
③ 細(xì)胞生長：細(xì)胞表面的糖基化模式與細(xì)胞的增殖、分化和凋亡等過程密切相關(guān)。特定的糖基化修飾可以調(diào)控生長因子受體的活性和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，從而影響細(xì)胞的生長速率和命運。
④ 細(xì)胞與細(xì)胞之間的黏附：細(xì)胞表面的糖蛋白和糖脂通過其糖鏈部分與相鄰細(xì)胞或細(xì)胞外基質(zhì)中的分子相互作用，介導(dǎo)細(xì)胞間的黏附和信號傳遞。這些相互作用對于組織結(jié)構(gòu)的維持、細(xì)胞遷移、傷口愈合等過程至關(guān)重要。
⑤ 炎癥的產(chǎn)生：在炎癥反應(yīng)中，糖基化修飾也發(fā)揮著重要作用。例如，某些炎癥介質(zhì)（如細(xì)胞因子和趨化因子）的糖基化修飾可以影響其穩(wěn)定性和生物活性，從而調(diào)控炎癥反應(yīng)的強度和持續(xù)時間。
1. 乳酸化
乳酸 ( Lactate ) 是細(xì)胞糖酵解途徑重要的含碳代謝產(chǎn)物，它的生物學(xué)功能因腫瘤細(xì)胞中Warburg效應(yīng)的存在，得到了廣泛關(guān)注（該理論認(rèn)為，腫瘤細(xì)胞即使在有氧條件下，也傾向于通過糖酵解途徑（而非線粒體氧化磷酸化）來產(chǎn)生能量）。乳酸也是細(xì)胞無氧呼吸的代謝產(chǎn)物，早期被認(rèn)為是細(xì)胞的代謝廢物，但隨著研究深入，乳酸被發(fā)現(xiàn)具有多種重要的生理病理功能。2019年10月24日，芝加哥大學(xué)趙英明教授課題組在Nature上發(fā)表研究成果，該研究揭示了乳酸在表觀遺傳學(xué)中的作用，并首次報道乳酸可以修飾組蛋白，從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。該研究不僅拓展了大家對乳酸的認(rèn)識，也掀起了乳酸化修飾的研究熱潮。由于乳酸化的研究起步較晚，目前對于蛋白質(zhì)乳酸化的研究還在初步階段，大家也可以多多關(guān)注下這種修飾方式，其研究前景還是非常廣泛的。
由于目前乳酸化的修飾作用主要發(fā)現(xiàn)在組蛋白上，因此我們也對組蛋白做一個簡單的介紹。組蛋白是真核生物體細(xì)胞染色質(zhì)與原核細(xì)胞中的堿性蛋白質(zhì)，與DNA共同組成核小體結(jié)構(gòu)。它們是染色質(zhì)的主要蛋白質(zhì)組分，作為DNA纏繞的線軸，在維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，組蛋白的氨基酸序列在不同物種之間高度保守組蛋白，且能進(jìn)行多種修飾。組蛋白修飾的調(diào)控可以被歸類為三類蛋白：Writers（寫入者）、Erasers（擦除者）和Readers（讀取者）。Writers是負(fù)責(zé)在組蛋白上添加修飾基團的蛋白，目前已被報道的組蛋白乳酸化Writers蛋白有p300、GCN5、HBO1。Erasers則是負(fù)責(zé)去除組蛋白上修飾基團的蛋白，恢復(fù)組蛋白的原始狀態(tài)，目前已報道組蛋白乳酸化的Erasers有：HDAC1-3、HDAC8和SIRT1-3。Readers是能夠識別和結(jié)合特定修飾基團的蛋白，從而調(diào)控基因表達(dá)和其他細(xì)胞過程，目前已被報道的組蛋白乳酸化Readers蛋白為Brg1蛋白。這三類蛋白共同參與組蛋白的動態(tài)修飾和功能調(diào)節(jié)。
蛋白質(zhì)乳酸化的過程大概分為三步：乳酸與蛋白質(zhì)的接觸、酶促反應(yīng)、修飾產(chǎn)物的形成（動畫演示）
圖十、乳酸化作用機制
蛋白質(zhì)發(fā)生乳酸化修飾之后功能會發(fā)生哪些變化呢？
① 影響轉(zhuǎn)錄因子功能：乳酸化可以修飾組蛋白，從而影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。例如，組蛋白H3的賴氨酸乳酸化被發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄，特別是在高代謝活動的細(xì)胞中。
② 作為代謝與基因調(diào)控的橋梁：乳酸化作為代謝產(chǎn)物乳酸的一種修飾方式，可以連接細(xì)胞代謝狀態(tài)與基因調(diào)控，響應(yīng)代謝變化調(diào)節(jié)基因表達(dá)，從而適應(yīng)環(huán)境變化。
③ 調(diào)控炎癥基因：研究發(fā)現(xiàn)，乳酸化可以調(diào)節(jié)炎癥相關(guān)基因的表達(dá)，影響免疫細(xì)胞的功能。例如，在巨噬細(xì)胞中，乳酸化修飾可以激活炎癥基因，促進(jìn)炎癥反應(yīng)。
④ 影響癌癥細(xì)胞行為：乳酸化在癌癥中也具有重要作用。乳酸化修飾可能影響癌細(xì)胞的基因表達(dá)、代謝重編程和腫瘤微環(huán)境，從而促進(jìn)腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。
⑤ 調(diào)控細(xì)胞分化和命運：乳酸化修飾可以影響細(xì)胞分化和命運決策。例如，乳酸化修飾可以調(diào)控干細(xì)胞和前體細(xì)胞的分化，影響組織發(fā)育和再生。
⑥ 信號傳導(dǎo)：乳酸化修飾可能影響關(guān)鍵信號分子的功能和相互作用，從而調(diào)控細(xì)胞信號傳導(dǎo)通路。盡管具體機制尚未完全闡明，但這一領(lǐng)域的研究正在不斷深入。
⑦ 響應(yīng)代謝應(yīng)激：乳酸化修飾可以作為細(xì)胞應(yīng)答代謝應(yīng)激的一種機制。例如，在低氧條件下，細(xì)胞通過增加乳酸化修飾來調(diào)節(jié)基因表達(dá)和代謝途徑，以適應(yīng)缺氧環(huán)境。
⑧ 反饋調(diào)節(jié)代謝通路：乳酸化修飾可以作為代謝通路的反饋調(diào)節(jié)機制，通過修飾關(guān)鍵代謝酶和調(diào)控代謝基因的表達(dá)，維持細(xì)胞代謝的平衡和穩(wěn)態(tài)。
好了，上述我們給大家介紹了幾種常見的蛋白質(zhì)修飾類型，現(xiàn)在咱們一起來總結(jié)一下。這里我們給大家繪制了一個表格（其中乳酸化作為一種新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，其修飾的具體機制在現(xiàn)有研究中并不明確，因此我們根據(jù)相關(guān)研究進(jìn)行了推測，僅供大家參考）。
表一、不同蛋白質(zhì)翻譯后修飾的差異比較
三、蛋白質(zhì)翻譯后修飾該如何來研究？
當(dāng)前，大家對于蛋白質(zhì)翻譯后修飾的探索和認(rèn)識，很大程度上得益于質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展。因為，傳統(tǒng)的檢測方法如Western或免疫沉淀等都依賴于特異性抗體，而抗體很難精確區(qū)分蛋白質(zhì)上結(jié)合的小分子的差異，也很難對蛋白質(zhì)上發(fā)生修飾的氨基酸位置進(jìn)行精確定位。況且，除了模式動物以外，大部分物種表達(dá)的蛋白都缺乏有效的抗體，而翻譯后修飾分析的抗體更無從談起。此外，每一種蛋白的每一種修飾的每一個修飾位點，都需要對應(yīng)的一種抗體來進(jìn)行分析，其適用的范圍非常有限，分析成本太高，也難以應(yīng)用于系統(tǒng)性層面上的研究。
相比而言，質(zhì)譜不僅能夠?qū)μ囟ǖ鞍椎奶囟ㄐ揎椷M(jìn)行精確測定，還能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模組學(xué)水平上的研究與發(fā)掘。因為發(fā)生翻譯后修飾的蛋白與未發(fā)生翻譯后修飾的蛋白，以及不同的修飾類型之間，最大的差異就在于氨基酸側(cè)鏈上化學(xué)基團的變化，這直接導(dǎo)致蛋白質(zhì)或肽段在分子量上的差異，而分子量的分析是質(zhì)譜的拿手好戲。因此在蛋白質(zhì)翻譯后修飾方面，質(zhì)譜已成為主流的研究技術(shù)。
根據(jù)蛋白質(zhì)翻譯后修飾的定義我們可知，相較于沒有發(fā)生翻譯后修飾的蛋白，翻譯后修飾蛋白會在特定肽段序列有分子量的增加。同時，由于不同的翻譯后修飾對肽段質(zhì)量的改變不同，通過比較實驗測得的肽段質(zhì)量與理論質(zhì)量之間的差異，我們可以判斷修飾的類型。下圖展示了利用質(zhì)譜來鑒定蛋白質(zhì)的翻譯后修飾的原理：在蛋白翻譯后修飾方式的質(zhì)譜分析過程中，蛋白會首先被酶切成肽段，然后進(jìn)入質(zhì)譜進(jìn)行分析；通過質(zhì)譜分析，得到一系列肽段的相對分子質(zhì)量信息，對于某一個特定的肽段而言，在沒有發(fā)生任何翻譯后修飾的情況下，它的序列信息和分子量是確定的。但當(dāng)它發(fā)生了某種翻譯后修飾之后，例如磷酸化修飾，因為磷酸根的分子量也是確定的，所以在質(zhì)譜檢測過程中，如果發(fā)現(xiàn)部分肽段的分子量剛好增加了一個磷酸根的分子量，則可以假設(shè)這個肽段發(fā)生了磷酸化修飾。再通過二級或多級質(zhì)譜的圖譜進(jìn)行二次確認(rèn)，即可實現(xiàn)翻譯后修飾類型鑒定及修飾位點分析等。
圖十一、質(zhì)譜技術(shù)檢測蛋白質(zhì)翻譯后修飾原理示意圖
除質(zhì)譜外還有一些其他的方法可以檢測蛋白質(zhì)的翻譯后修飾，如Western Blot、放射性核素示蹤法、免疫沉淀（IP）等，下表展示了各類實驗方法檢測蛋白質(zhì)翻譯后修飾的優(yōu)缺點。
表二、檢測蛋白質(zhì)翻譯后修飾的各類實驗方法的優(yōu)缺點
小伙伴們可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，如果有合適的抗體的話可以考慮WB或者免疫共沉淀，不差錢的實驗室可以用質(zhì)譜來檢測。
好了，以上就是本期的內(nèi)容啦。目前，研究相對成熟的蛋白質(zhì)翻譯后修飾還僅僅局限于磷酸化、糖基化、乙?；?/span>10余種修飾，因此蛋白質(zhì)翻譯后修飾有著廣泛的研究前景，完全揭秘人體內(nèi)蛋白質(zhì)的“千變?nèi)f化”還需要大家不懈努力，關(guān)于視頻版本大家直接點擊《【蛋白質(zhì)翻譯后修飾】不同類型、機制、功能動畫詳解，含經(jīng)驗總結(jié)；一個視頻幫你梳理清楚》就可以觀看啦~
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