蛋白質翻譯后修飾的生物學功能及其調控

提綱總論個論:

磷酸化\糖基化\組蛋白修飾三.研究方法進展:蛋白組學蛋白質翻譯后修飾

Post-translationalmodification(PTM)蛋白質在翻譯后發生的化學修飾，即在蛋白質的主鏈氨基酸上增加化學功能基團，從而改變蛋白質的生物化學和結構特征。主要包括：乙酰化、烷基化、生物素化、糖基化、泛素化、類泛素化、磷酸化等，至少300種以上。真核生物蛋白質功能的一種主要調節機制。特點及其意義蛋白質翻譯后修飾是調節蛋白質生物活性的重要方式

蛋白質翻譯后修飾異常導致人類眾多的疾病

蛋白質翻譯后修飾是蛋白質組研究的一個重要內容

1、蛋白質翻譯后修飾是調節蛋白生物活性的重要方式編碼蛋白質的20個氨基酸中至少15個可被進一步的化學修飾特點：可逆、多樣和快速生物體調控蛋白質在組織和細胞中定位、活性、壽命、功能和結構多樣性的一個最重要的方式對細胞的生長和分化，個體的發育、成熟和老化維持著精細的和程序化的控制組蛋白的翻譯后修飾組蛋白的翻譯后修飾2、蛋白質翻譯后修飾異常導致人類眾多疾病蛋白磷酸化與多種癌癥相關蛋白在過度的泛素化后而不能及時被降解，引起神經細胞的退行性病變受體糖基化導致病毒對免疫細胞的侵犯異常的染色體組蛋白乙酰化、甲基化引起智力低下所以研究蛋白質翻譯后的修飾將幫助我們了解人類疾病的分子基礎和設計相應的防治方案3、翻譯后修飾是蛋白質組研究的一個重要內容蛋白質翻譯后修飾是對蛋白質結構、功能和活性最快速和最普遍調控方式之一人類對這一復雜過程認識有限，很多的蛋白質修飾方式及其調節機制仍待發現所以蛋白質翻譯后修飾研究是蛋白質組研究的一個重要基礎生物學課題，有極其重要的理論意義國家重大科學研究計劃納米研究量子調控研究蛋白質研究……

三、蛋白質質量控制、翻譯后修飾和動態相互作用研究……發育與生殖研究提綱總論個論:

磷酸化\糖基化\組蛋白修飾三.研究方法進展:蛋白組學蛋白質的磷酸化和去磷酸化

——概念、功能及其生物學意義什么是磷酸化和去磷酸化磷酸化反應是泛指把磷酸基團通過酶促反應轉移到其他化合物的過程。蛋白質的磷酸化則是指由蛋白激酶催化的把ATP或GTPγ位的磷酸基傳移到底物蛋白質氨基酸殘基上的過程，磷酸化的作用位點為蛋白上的Ser,Thr,Tyr殘基.其逆轉過程是由蛋白磷酸酶催化的，稱為蛋白質的脫磷酸化。SerineThreonineTyrosine蛋白質磷酸化的普遍性和重要性目前估計至少有30%的蛋白被磷酸化修飾，許多蛋白有多個可被磷酸化修飾的位點。人類基因組中約編碼500種蛋白激酶和相當于1/3蛋白激酶數量的蛋白磷酸酶.可逆的磷酸化過程幾乎涉及所有的生理及病理過程,如細胞信號轉導、腫瘤發生、新陳代謝、神經活動、肌肉收縮以及細胞的增殖、發育和分化等.Fischer和Krebs因其在蛋白質可逆磷酸化作為一種生物調節機制方面的研究而獲得1992年諾貝爾生理學及醫學獎.蛋白質磷酸化的生物學意義：這種方式在胞內介導胞外信號時具專一應答的特點。第二信使磷酸化與脫磷酸化可以控制細胞內已存在酶的“活性酶量”，使應答反應更有效。糖原磷酸化酶活性的調節蛋白質磷酸化在信號傳遞中一個最重要的特點是對外界信號具有級聯放大作用。

蛋白質磷酸化與脫磷酸化幾乎涉及所有的生理過程功能,具有多樣性。如細胞的分裂、分化等過程，雖然信號分子的壽命可以很短，但蛋白激酶一旦被激活，其活性卻可通過某些方式（如自身磷酸化作用）維持較長的時間。即simplicity,flexibilityandreversibility參與磷酸化和去磷酸化的酶蛋白激酶(Proteinkinase，PK)催化蛋白質的含羥基氨基酸(絲／蘇和酪)的側鏈羥基形成磷酸酯。細胞內任何一種蛋白質的磷酸化狀態是由蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶的兩種相反酶活性之間的平衡決定的。蛋白質磷酸酯酶(Proteinphosphatase，PPase)催化磷酸蛋白的磷酸酯鍵水解而去磷酸化。蛋白質的磷酸化參與了哪些生理和病理過程可逆的磷酸化過程幾乎涉及所有的生理及病理過程,如細胞信號轉導、細胞周期調控、腫瘤發生、新陳代謝、神經活動、肌肉收縮以及細胞的增殖、發育和分化等.蛋白質磷酸化的功能

——信號轉導控制信號轉導蛋白活性的方式：通過配體調節-受體自身磷酸化：EGF-EGFR通過G蛋白調節GTP-GDP-cAMP-激活PKA，IP3-PKC通過可逆磷酸化調節EGFRsignaling激素通過第二信使DAG和IP3活化PKCMAPK家族酶的激活機制都通過磷酸化的三級酶促級聯反應蛋白質磷酸化的功能

——轉錄調控ProteinkinaseAandDNA結合蛋白MAPK信號通路介導的轉錄調控NF-κB信號通路膜系統-胞核間的信號傳導JAKsandSTATsCREB的轉錄激活ProteinkinaseAandDNA結合蛋白MAPK信號通路介導的轉錄調控

MAPK信號通路介導的轉錄調控

膜系統-胞核間的信號傳導JAKsandSTATsNF-kBpathwayNuclearfactorkB(NF-kB)是一種核轉錄因子，通過對大量下游基因表達的調節參與一系列廣泛的生理和病理過程比如凋亡、病毒顆粒復制、腫瘤發生、炎癥反應以及自身免疫疾病等等。NF-kB可被一系列外界刺激激活如生長因子、細胞因子、白介素、紫外線輻射、藥物刺激或者其他導致細胞產生應激反應的因素。靜息狀態下NF-kB與一些抑制分子如IkBa,IkBb,IkBg,IkBe等等相結合、使之被隔離在細胞漿中.外界刺激可導致IkB的磷酸化,繼而引發其泛素化降解。NF-kB的核定位信號暴露，引發核轉位。核內的NF-kB通過結合其一致性序列繼而激活相關靶基因的轉錄.IkB蛋白可被IkB激酶復合物磷酸化包含至少三種蛋白質;IKK1/IKKa,IKK2/IKKb,和IKK3/IKKg.

蛋白質磷酸化的功能

——細胞周期調控參與細胞周期調控的主要物質細胞周期素（cyclin)

A、B、C、D、E

細胞周期蛋白依賴激酶（cyclin-dependent-kinase,Cdk）1、2、3、4、5細胞分化周期調控因子（celldivisioncyclecontrol,Cdc）轉錄因子E2FRB蛋白生長因子G1期誘導CyclinD表達Cdk2Cdk4Cdk5CyclinD-Cdk2-Cdk4-Cdk5(Cdk磷酸化)CyclinE表達CyclinE-Cdk2（Cdk2磷酸化）促使細胞通過G1/S進入S期G1期誘導CyclinA表達S期誘導CyclinA-Cdk2（Cdk2活化）E2FDNA復制RB蛋白-PRB蛋白-E2F（E2F失活）cyclinD和E降解對G2檢測點的調控cyclinB表達CyclinB-Cdc2(Cdc2磷酸化）細胞進入M期蛋白質磷酸化的功能

——調節神經突觸膜間運輸

腫瘤發生老年癡呆蛋白激酶、蛋白酶異常直接致病蛋白磷酸化異常與疾病的聯系表達產物為生長因子受體的癌基因癌基因染色體位置表達產物c-erbB-17pter-7q22TPK,EGF受體erbB-2(neu)17q21TPK,EGF受體c-ros

6q22TPK,EGF受體c-trk(oncD)1q25-31TPK,EGF受體c-met

7q21-31

TPK,EGF受體c-fms5q33-34TPK,CSF-1受體c-kit4q11-13TPK,CSF-1受體生長因子（膜）受體結構的特點

膜外區生長因子特異結合部位跨膜區胞內區具有TPK活性生長因子（膜）受體作用機理生長因子與膜受體胞外結構域特異結合受體二聚化受體胞內結構域顯現TPK活性特定蛋白的酪氨酸殘基磷酸化生物效應胞外區區合結構域跨膜結構域細胞內TPK結構域erbB原癌基因產物erbB癌基因產物erbB原癌基因與癌基因蛋白產物比較v-erbB蛋白由于缺少了配基結合域，無需與EGF結合就可形成二聚體，表現為EGF受體酪氨酸蛋白激酶的持續活性，刺激細胞的增值。老年癡呆癥(Alzheimer’sDisease)與TAU蛋白磷酸化異常的關系

阿爾茨海默氏病（AD）是一種由于大腦的神經細胞死亡而造成的神經性疾病。AD的發生是典型的漸進過程，其最初癥狀可能會被認為是年邁或普通的健忘。隨著病情的發展，認知能力，包括決策能力和日常活動能力，將逐漸喪失，同時可能出現性情改變以及行為困難的情況。在晚期，AD會導致失智并最終導致死亡。全美國約有四百萬人被診斷為患有AD。阿爾茨海默氏病最常發生在65歲以上的人身上；但是，更年輕的人士也可能患此病。當年齡超過65歲后，失智癥患者的人數迅速增加。2019年，患有中度或重度記憶損傷的人數在65至69歲人群中為4%，而在85歲以上的老年人中，該比例則為36%。在導致65歲以上老人死亡的原因中，AD位居第九。老年癡呆癥(Alzheimer’sDisease)與TAU蛋白磷酸化異常的關系TAU是一種存在于成人神經細胞的一種微管結合蛋白(MAP),對于刺激微管組裝和穩定微管結構起到重要作用.TAU主要受磷酸化和O-糖基化修飾以調節其活性.TAU的磷酸化水平受到多種蛋白激酶和蛋白磷酸酶的調節.在老年癡呆和其它TAU異常導致的相關疾病中,各種因素(遺傳因素、代謝異常等）導致細胞內信號傳導通路異常，磷酸化－去磷酸化之間的動態平衡被打破，即大腦中某些的磷酸酶如PP2A蛋白水平下調，繼而導致TAU蛋白磷酸化水平升高，稱為TAU的超磷酸化（hyperphosphorylation）；大腦葡萄糖攝取和代謝異常亦可導致TAU蛋白O－糖基化下調，進而引起TAU的超磷酸化狀態。TAU的超磷酸化不但喪失了某些正常功能如促進微管系統組裝，還可競爭性抑制正常的TAU蛋白和其它微管結合蛋白如MAP1和MAP2，導致微管解聚增加，微管系統的解聚直接影響神經的軸突運輸，導致神經的退行性改變，引起神經元死亡和癡呆。Thestabilizationofmicrotubulesbytauproteinandtheeffectsofhyperphosphorylation,asinAlzheimer'sdisease.蛋白激酶或磷酸酶突變導致的疾病強直性肌營養不良（myotonicmusculardystrophy）組蛋白質的修飾

——概念、功能及其生物學意義二、組蛋白修飾組蛋白密碼組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histonecode）。組蛋白通過乙酰化、甲基化和磷酸化等共價修飾，使染色質處于轉錄活性狀態或非轉錄活性狀態，為其他蛋白與DNA的結合產生協同或拮抗效應，屬于一種動態的轉錄調控成分。組蛋白密碼是遺傳密碼的表觀遺傳學延伸，決定了基因表達調控的狀態，并且可遺傳。組蛋白修飾種類乙酰化--組蛋白乙酰化能選擇性的使某些染色質區域的結構從緊密變得松散，開放某些基因的轉錄，增強其表達水平。甲基化--發生在H3、H4的Lys和Arg殘基上，可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，這往往取決于被修飾的位置和程度。磷酸化--發生在Ser殘基，一般與有絲分裂和凋亡相關。泛素化--特定組蛋白羧基端通過泛素化同樣影響蛋白質的降解過程，從而也可調節基因的表達。

組蛋白去乙酰化酶：

histonedeacetylases,HDACs組蛋白乙酰化轉移酶：

histoneacetyltransferase,HAT組蛋白甲基轉移酶：histonemethyltransferase賴氨酸殘基上的甲基化存在單甲基、雙甲基和三甲基3種狀態H3-K9轉錄抑制；H3-K4轉錄活化四、不同表觀遺傳修飾之間的聯系相關性現象，機制不清楚。H3-K9的甲基化導致中心粒周圍異染色質DNA的甲基化。組蛋白去乙酰化酶（HDACs）、組蛋白甲基轉移酶(HMT)和組蛋白乙酰化轉移酶（HAT)導致了DNA甲基化酶(DNMT)的重新聚集。在α地中海貧血癥中，RNA相關沉默是導致組蛋白修飾、DNA甲基化的直接原因。

蛋白質的糖基化

——概念、功能及其生物學意義糖鏈的重要性蛋白糖基化修飾的三種類型蛋白聚糖N-糖鏈O-糖鏈NatureMethods2019,2:817-824糖化學與糖生物學是科學前沿Nature2019,Vol267篇論文綜述糖化學糖生物學研究進展Science

2019,Vol29113篇論文涉及糖的研究化學糖生物學糖組學糖芯片糖工程糖生物學糖藥物Science2019,Vol291;Nature2019,Vol26

基因mRNA蛋白質糖復合物

糖鏈功能多樣性結構多樣性糖基轉移酶糖苷酶輔酶糖核苷合成酶糖核苷轉運體其他功能蛋白糖蛋白蛋白聚糖寡糖、多糖糖識別分子

脂類分子細胞膜分子間相互作用細胞細胞細胞外基質異常異常正常正常腫瘤感染、炎癥免疫性疾病代謝性疾病……神經免疫循環生殖……機體功能發生分化個體糖鏈的重要地位發達國家對糖科學的高度重視美國：NIH:ConsortiumForFunctionalGlycomics美國功能糖組學研究聯盟（2019-2019）CCRC:ComplexCarbohydrateResearchCenterNIH/NIC單獨投資（2019-2019，1500萬美元）糖腫瘤標志物的開發CancerBiomarker歐洲:NewGlycoGlob新糖組學糖鏈生物信息學數據庫日本的糖生物學研究概況090705060804030201980010糖鏈功能活用技術（10億日元/年

~2019年)糖鏈結構分析技術（30億日元）

糖基因庫的構建（25億日元）年功能糖生物學(100億日元）通產省文部省日本在糖科學領域欲搶占制高點蛋白質經糖鏈修飾引起生物功能多樣性蛋白質蛋白質的糖鏈修飾生物功能多樣性修飾蛋白質的糖鏈異常正常

腫瘤、感染、炎癥免疫性疾病、代謝性疾病……神經、免疫、循環、生殖、消化……糖鏈介導的細胞間相互作用

GeneralPrinciples:lock-and-keyornon-specificSialicacid糖鏈介導相互作用粘液素（mucin）和炎癥、腫瘤糖蛋白糖鏈與免疫直接相關糖蛋白