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蛋白修饰系列第一期——蛋白修饰知多少?

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    发表于 2018.11.27 09:19:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
    1.what——什么是翻译后修饰我们在做机制研究时,通常会关注基因、蛋白或代谢物的变化。其中,蛋白是生命活动的直接执行者,并且蛋白还能反过来调控基因的表达,因此我们常常会对蛋白进行深入研究。
    我们会发现这样一个情况,虽然基因数量是有限的,但蛋白种类是多样的,从基因到蛋白的过程中,是否存在某些调控机制呢?除此之外,我们在做蛋白组和转录组关联分析时,会发现他们之间相关性较低。
    通常我们会利用itraq等常规技术对蛋白进行定性定量的研究。但是常规的蛋白技术会有局限性——研究对象不够精确。
    为什么会这么说呢,我们需要了解,前体蛋白没有活性,需要通过翻译后修饰(Protein post-translational modification,PTM),经过正确表达、剪切、折叠后所经历的共价加工过程,而后才会成为具有相应生理功能的成熟蛋白。因此,平时我们检测的总蛋白不一定能够代表实际上全部蛋白的功能,许多蛋白往往是磷酸化等修饰后才能行使功能。
    蛋白质的翻译后修饰实际上是对蛋白质进行共价加工的过程,通过在一个或几个氨基酸残基上加上官能基团或通过蛋白质水解剪切,从而改变蛋白质的性质。

    2.why——为什么要研究翻译后修饰
    除了对前体蛋白赋予想要的功能之外,蛋白质功能的多样性也是通过翻译后修饰产生的,在生命体中具有非常重要的意义,通过翻译后修饰,可以爆炸式地增加蛋白质的类型,赋予生命过程更多的复杂性。
    除此之外,这种修饰改变了蛋白质的结构/功能关系,影响了蛋白质复合物的形成、酶催化和其他生物分子的相互作用,使得蛋白质的功能更加完善,调节更为精细。据研究表明,在真核生物体内存在400余种蛋白质翻译后修饰类型,对蛋白的翻译后修饰进行研究就很有必要了。


    图1.翻译后修饰使蛋白种类丰富多样


    3.which——蛋白质翻译后修饰有哪些?

    蛋白质的翻译后修饰参与许多生物过程,在蛋白修饰的领域中,存在着非常非常多的类型。

    图2.蛋白修饰类型丰富

    磷酸化
    蛋白质的磷酸化是通过酶促反应将磷酸基团转移到蛋白组氨基酸残基上的过程,在生物体内普遍存在,蛋白质的磷酸化与去磷酸化这一可逆过程几乎参与了生命活动的所有过程,与信号传导、细胞周期、生长发育、癌症发生发展等密切相关。
    ATP和ADP的相互转化应该是我们生物学习中最早接触的磷酸化和去磷酸化了,也是目前最主要的信号转导方式。基于磷酸化的重要性和普遍性,可以说是目前研究最广泛的修饰类型。


    图3.磷酸化示意图

    乙酰化
    乙酰化是在乙酰基转移酶的作用下,在蛋白质赖氨酸残基上连接上乙酰基的过程。乙酰化修饰在真核以及原核生物中都普遍存在,对蛋白质构象、活性以及稳定性等调控具有重要的调控作用。可能大家听过最多的就是组蛋白的乙酰化了。
    在核心组蛋白N端的赖氨酸带正电,可以与带负电的DNA或邻近的核小体发生作用,使核小体紧凑及染色质高度折叠,乙酰则可以连接在N端的赖氨酸上,加上了个小尾巴之后,组蛋白与DNA之间的作用减弱,易于转录因子的结合从而促进基因的转录。而乙酰化的功能也十分的广泛,在转录调控(如刚刚说的调控DNA结合蛋白)和代谢调控(如TCA循环)中起到重要作用。


    图4.乙酰化示意图

    泛素化
    泛素是由76个氨基酸组成的多肽,通过其甘氨酸C末端附加于目标蛋白赖氨酸上。泛素化是指泛素分子在一系列特殊的酶作用下,将细胞内的蛋白质分类,从中选出靶蛋白分子,而靶蛋白最终的命运就是被26S蛋白酶识别,接着被催化降解。虽然泛素化涉及的是蛋白降解的过程,但是研究表明这个过程对有机体的有序进行是必不可少,对于细胞分析、细胞凋亡、DNA修复等生理过程都起到重要作用。


    图5.泛素化

    糖基化
    糖蛋白是由糖类与蛋白质共价结合的分子,糖类的范围从单糖到密集复杂具有侧链结结构的多糖,种类众多。由于是非模板合成,可以算是最为复杂的翻译修饰类型。蛋白质糖基化主要有两种类型:O-糖基化和N-糖基化。
    O-糖基化发生在丝氨酸(Ser)和苏氨酸(Thr)的羟基上,如果这些氨基酸首先被羟基化,也可以发生在赖氨酸(Lys)和脯氨酸(Pro)上,O-糖基化比N-糖基化复杂,没有明确的共识序列或共同核心结构,因此研究较为复杂。N-糖基化是一种将N链接聚糖连接到天门冬酰胺(Asn)侧链的氮原子上的过程,是目前主要研究的对象。
    除此之外,糖基化有一个重要的特点是微观不均一性,即不同的糖链可以连接在同一个位点,同一个蛋白质上也可以有不同的位点连接不同的糖链。基于糖基化的不均一性的特点,又进一步增加了糖蛋白研究的难度。尽管糖基化非常复杂,但依然非常重要,在细胞识别、信号传递、免疫与应答等生理过程中起着关键作用,在医学方向研究较多。


    图6.常见的糖链类型

    4.how——翻译后修饰该如何研究?
    对于发生修饰和未发生修饰的蛋白,它们之间主要的差异其实是官能基团的区别,如磷酸化氨基酸残基脱落酸后,肽段会失去一个HP03或H3PO4的分子,它们的质量也就减少了80Da或98Da,那么这个时候,我们就可以请出分子量鉴定小能手——质谱来帮我们进行研究。通过质谱的方法,可以帮助我们对修饰位点、修饰肽段进行定性定量的研究,从而深入到机制研究。   
    其实蛋白修饰是个非常广泛的内容,每一种修饰都可以拓展出n个故事,仅通过一篇文章无法完整的介绍,今天我们为蛋白修饰的故事起一个头,接下来可以跟着我们一起,对主要的修饰类型进行深入的了解,听听它们的前世今生~


    本文作者:基迪奥半夏

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    讲解和很详细,能不能在来一个专题讲mRNA的修饰呢,现在m6A,甲基化等修饰都很热,最近又有新的RNA修饰研究 成果发表,期待
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     楼主| 发表于 2018.11.29 18:35:56 | 显示全部楼层
    zhouyulu 发表于 2018.11.28 20:00
    讲解和很详细,能不能在来一个专题讲mRNA的修饰呢,现在m6A,甲基化等修饰都很热,最近又有新的RNA修饰研究 ...

    以后可能会有这个专题
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