陳 霞 羅良煌

(江西省泰和中學(xué) 343700)

1 蛋白質(zhì)翻譯后修飾的概念

蛋白質(zhì)翻譯后修飾(PTMs)是指蛋白質(zhì)翻譯后的化學(xué)修飾。PTMs是一個復(fù)雜的過程，幾乎參與細(xì)胞所有的生命活動過程，發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，例如，人體內(nèi)50%～90%的蛋白質(zhì)發(fā)生翻譯后的修飾。蛋白質(zhì)翻譯后修飾在蛋白質(zhì)成熟過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控功能，其使蛋白質(zhì)類型增多，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、調(diào)控更精確、作用更專一、功能更完善。科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)人類蛋白質(zhì)組的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過人類基因組。人類基因組估計(jì)包含 2萬～2.5萬個基因[1]，而在人類蛋白質(zhì)組中的蛋白數(shù)目估計(jì)超過1 億[2]。

2 常見的蛋白質(zhì)翻譯后修飾類型及其生物學(xué)功能

研究表明，目前已經(jīng)確定的翻譯后修飾方式超過400種，常見的修飾方式包括泛素化、磷酸化、乙酰化、糖基化、甲基化和脂基化。

2.1 泛素化 蛋白質(zhì)泛素化修飾是指通過泛素-蛋白酶系統(tǒng)(UPS)介導(dǎo)參與的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的過程，普遍存在于真核細(xì)胞中。

泛素(由76個氨基酸構(gòu)成的小分子多肽，于1975年首次從小牛的胰臟中分離，后在除細(xì)菌外的多種有機(jī)體中被發(fā)現(xiàn))參與生命活動的調(diào)節(jié)包括經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑，前者是泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑；后者是指泛素參與細(xì)胞內(nèi)定位、炎性反應(yīng)、轉(zhuǎn)運(yùn)過程及DNA修復(fù)等生理活動。這兩條途徑都存在著泛素化和去泛素化過程。泛素化蛋白質(zhì)降解過程需要3種酶參與：泛素激活酶(E1)、泛素結(jié)合酶(E2)和泛素蛋白質(zhì)連接酶(E3)。泛素化的過程大致如下：①形成硫脂鍵：E1的半胱氨酸活性部位與泛素C末端的甘氨酸在消耗ATP的作用下形成硫脂鍵；②泛素轉(zhuǎn)移：連接在E1上的泛素被轉(zhuǎn)移到E2的半胱氨酸的活性位點(diǎn)；③與底物結(jié)合：在E3的催化作用下，泛素C末端與底物上的賴氨酸ε-氨基結(jié)合；④降解：泛素蛋白最后被轉(zhuǎn)運(yùn)到蛋白酶體中完全降解。

蛋白質(zhì)泛素化對于細(xì)胞分化、調(diào)控、生物合成、凋亡、免疫應(yīng)答和應(yīng)激反應(yīng)等生理過程都起著很重要的作用。研究表明，泛素-蛋白酶體抑制劑MG-132能夠顯著抑制消化道腫瘤細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)其凋亡，從而抑制癌細(xì)胞的擴(kuò)散[3]；人類神經(jīng)退行性疾病如老年癡呆、帕金森癥等與蛋白質(zhì)泛素化異常有關(guān)，當(dāng)病變神經(jīng)細(xì)胞中泛素-蛋白酶體經(jīng)典途徑出現(xiàn)障礙或過載時，蛋白質(zhì)不能及時被降解，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)異常蛋白質(zhì)聚集，從而形成包涵體引起各類神經(jīng)變性疾病；泛素與相關(guān)基因融合表達(dá)可增強(qiáng)細(xì)胞免疫反應(yīng)。

2.2 磷酸化 蛋白質(zhì)磷酸化是指蛋白質(zhì)在磷酸化激酶的催化作用下把ATP或GTP的γ位磷酸基轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)的特定位點(diǎn)氨基酸殘基上的過程。磷酸化是一種非常重要且廣泛存在于原核生物和真核生物中的翻譯后修飾調(diào)控方式，細(xì)胞內(nèi)至少有30%的蛋白質(zhì)被磷酸化修飾 。

根據(jù)磷酸化發(fā)生位點(diǎn)側(cè)鏈基團(tuán)的不同，可將磷酸化蛋白質(zhì)分為4類，即O-磷酸鹽蛋白質(zhì)、N-磷酸鹽蛋白質(zhì)、酰基-磷酸鹽蛋白質(zhì)和S-磷酸鹽蛋白質(zhì)。不同的氨基酸殘基磷酸化過程所需的蛋白激酶是不一樣的，研究發(fā)現(xiàn)至少有500種以上。

蛋白質(zhì)磷酸化修飾參與生命活動的各種生理和病理過程，如細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、神經(jīng)活動、肌肉收縮、細(xì)胞增殖、發(fā)育、分化以及腫瘤發(fā)生等。蛋白質(zhì)磷酸化具有以下功能：①參與重要酶促反應(yīng)，生成反應(yīng)中間產(chǎn)物；②磷酸化改變蛋白質(zhì)活性；③介導(dǎo)獨(dú)特生理效應(yīng)，例如天冬氨酸、谷氨酸和組氨酸磷酸化蛋白在細(xì)菌趨化反應(yīng)的感覺性傳導(dǎo)過程中發(fā)生解離[4]；酪氨酸磷酸化調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和控制細(xì)胞生長[5]；CDKs(屬于Ser/Thr激酶)激活Cyclins并形成復(fù)合物, 從而調(diào)控細(xì)胞周期[6]；線粒體中氧化分解反應(yīng)中NADPH氧化酶和電子傳遞鏈相關(guān)蛋白質(zhì)分子都有磷酸化調(diào)控的過程[7]。

2.3 乙酰化 蛋白質(zhì)乙酰化是指蛋白質(zhì)在乙酰基轉(zhuǎn)移酶(HATs/KATs)的催化下把乙酰基團(tuán)(如乙酰輔酶A等供體)共價(jià)結(jié)合到底物蛋白質(zhì)中氨基酸殘基上的過程。蛋白質(zhì)去乙酰化是在去乙酰化酶(HDACs/KDACs)作用下的可逆性修飾過程。兩者共同調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)中氨基酸的乙酰化修飾。

依據(jù)乙酰化位置不同分為兩種形式：①Nα乙酰化：是指蛋白質(zhì)N-末端被乙酰化修飾，這種修飾方式存在于近80%的真核蛋白中，且是不可逆修飾；②Nε乙酰化：這是一種動態(tài)、可逆性的修飾方式。對其研究主要集中在賴氨酸殘基的乙酰化修飾。研究探明真核生物中有1500多種賴氨酸Nε乙酰化修飾的蛋白質(zhì)，執(zhí)行著不同的生物學(xué)功能。原核生物中也普遍存在Nε乙酰化修飾。

原核生物乙酰化/去乙酰化情況比較簡單，主要原因是其細(xì)胞內(nèi)相關(guān)的酶較少。真核生物中乙酰化/去乙酰化情況較為復(fù)雜，目前發(fā)現(xiàn)乙酰化酶KATs就有5個家族，去乙酰化酶有2個家族。

研究表明乙酰化修飾影響著細(xì)胞生理的各個方面，如轉(zhuǎn)錄調(diào)控、蛋白質(zhì)降解、細(xì)胞代謝、趨化反應(yīng)及應(yīng)激反應(yīng)等。組蛋白乙酰化修飾對染色體結(jié)構(gòu)的影響及轉(zhuǎn)錄調(diào)控是研究最為深入的領(lǐng)域。近年來，非組蛋白乙酰化修飾研究也取得一定成果，如發(fā)現(xiàn)沙門氏菌中代謝酶存在可逆性乙酰化現(xiàn)象，借助乙酰化作用細(xì)胞可以靈活的響應(yīng)環(huán)境變化[8]；揭示了蛋白質(zhì)乙酰化修飾對細(xì)胞自噬調(diào)控的分子機(jī)制[9]。

2.4 糖基化 蛋白質(zhì)糖基化是指在糖基轉(zhuǎn)移酶作用下，將糖類轉(zhuǎn)移至蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)上特殊的氨基酸殘基共價(jià)結(jié)合形成糖苷鍵的過程。蛋白質(zhì)經(jīng)過糖基化作用，形成糖蛋白。該修飾方式普遍存于真核細(xì)胞中。

蛋白質(zhì)糖基化按照氨基酸與糖的連接方式可分為4類：①O位糖基化：是指蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸的自由-OH與糖鏈共價(jià)連接，可發(fā)生于高爾基體、細(xì)胞核或細(xì)胞質(zhì)中。②N位糖基化：是指蛋白質(zhì)的天冬氨酸的自由-NH2與糖鏈共價(jià)連接。N位的糖鏈合成起始于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，完成于高爾基體。血漿等體液中蛋白質(zhì)多發(fā)生N位糖基化。③C位甘露糖化：是指一分子α-吡喃甘露糖殘基通過C-C鍵連接到色氨酸吲哚環(huán)C-2上。④糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定連接：是指磷脂酰-纖維糖組在靠近蛋白C端部位結(jié)合，將蛋白連接到細(xì)胞膜上。一些水解酶、黏附蛋白、免疫蛋白、補(bǔ)體調(diào)節(jié)蛋白等蛋白屬于此類糖基化。

蛋白質(zhì)糖基化在生命體中起著重要的作用，例如，參與免疫保護(hù)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控、蛋白質(zhì)翻譯調(diào)控、蛋白質(zhì)降解、細(xì)胞壁的合成等許多生物過程。很多蛋白如轉(zhuǎn)錄因子、核小孔蛋白、熱休克蛋白、RNA聚合酶Ⅱ、致癌基因翻譯產(chǎn)物、酶等，都發(fā)現(xiàn)存在糖基化這種翻譯后修飾方式[10]。研究表明，人體70%的蛋白包含一個或多個糖鏈，1%的人類基因組參與糖鏈的合成和修飾。糖基化的鐵轉(zhuǎn)移蛋白是一種金屬轉(zhuǎn)運(yùn)血清蛋白，具有間接調(diào)節(jié)鐵離子平衡的作用，但在帕金森病、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者體內(nèi)發(fā)現(xiàn)鐵轉(zhuǎn)移蛋白糖基化水平過高[11]。

2.5 甲基化 蛋白質(zhì)甲基化是指蛋白質(zhì)在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下將甲基轉(zhuǎn)移至特定的氨基酸殘基上共價(jià)結(jié)合的過程。甲基化是一種可逆的修飾過程，由去甲基化酶催化去甲基化作用。研究發(fā)現(xiàn)，常見甲基化/去甲基化作用的氨基酸主要是賴氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)。

依據(jù)甲基化修飾的底物蛋白的不同，可分為組蛋白Lys/Arg甲基化和非組蛋白Lys/Arg甲基化兩種形式。組蛋白賴氨酸甲基化主要發(fā)生在組蛋白H3 和H4上。組蛋白精氨酸甲基化主要由精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(PRMT)家族的成員催化完成，與基因激活有關(guān)，而H3和H4精氨酸的甲基化丟失可導(dǎo)致基因沉默。

研究表明，組蛋白賴氨酸甲基化修飾執(zhí)行著多種生物學(xué)功能，如干細(xì)胞的維持和分化、X染色體失活、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和DNA 損傷反應(yīng)等，主要是影響染色質(zhì)濃縮，抑制基因表達(dá)。組蛋白精氨酸甲基化在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮著重要作用，并能影響細(xì)胞的多種生理過程，包括DNA修復(fù)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞發(fā)育及癌癥發(fā)生等[12]。

2.6 脂基化 蛋白質(zhì)脂基化修飾是指蛋白質(zhì)在脂基轉(zhuǎn)移酶的催化下將脂質(zhì)基團(tuán)與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合的過程。常見的能與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合的脂質(zhì)有脂肪酸、異戊烯類脂質(zhì)、膽固醇以及糖基磷脂酰肌醇這4類。這些脂質(zhì)修飾蛋白主要存在于細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、細(xì)胞骨架等部位。

脂質(zhì)分子與蛋白質(zhì)的共價(jià)結(jié)合主要有3種：①N-連接：主要發(fā)生在N-末端甘氨酸殘基，由特異性豆蔻轉(zhuǎn)移酶(NMT)催化完成，發(fā)生在核糖體合成蛋白質(zhì)過程中，是研究較為清楚的一種翻譯后脂修飾。② S-連接：是指脂質(zhì)與半胱氨酸殘基中的SH 基團(tuán)的共價(jià)結(jié)合。③O-連接：是指脂質(zhì)與絲氨酸或蘇氨酸殘基中OH共價(jià)結(jié)合生成醚氧鍵，具有不可逆性。這種脂修飾報(bào)道較少。

目前人們對蛋白質(zhì)翻譯后脂修飾的認(rèn)識還非常有限，對大部分脂修飾蛋白的結(jié)構(gòu)和功能未知或知之不多。但越來越多的實(shí)驗(yàn)研究表明，脂修飾在微生物感染、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫調(diào)控和腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用。

例如，促凋亡蛋白BID可發(fā)生翻譯后N-豆蔻修飾，使蛋白定位于線粒體并激活凋亡信號通路，誘發(fā)細(xì)胞凋亡。由T 細(xì)胞受體(TCR)介導(dǎo)的信號通路中的相關(guān)蛋白CD8β的棕櫚化修飾可促使CD8β與脂筏區(qū)結(jié)合并與P56lck偶聯(lián)，進(jìn)而激活T 細(xì)胞；而銜接蛋白LAT的異常棕櫚化修飾則導(dǎo)致T細(xì)胞無能，對抗原的再刺激失去增殖反應(yīng)的能力，從而抑制免疫應(yīng)答反應(yīng)[13]。