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生物化学课程论文 题 目： 蛋白质翻译后修饰综述学 院： 生命科学技术学院（生化与分子） 成 员： 祝乐清（1433121003） 任课老师： 李 弘 剑二一五年一月七日蛋白质翻译后修饰摘要：后基因组时代的到来意味着生命科学研究重心转向功能基因组学及功能蛋白质组学等新领域(蛋白质翻译后修饰是蛋白质组学的重要组成部分(蛋白质经翻译后修饰改变自身的空间构象、活性、稳定性及其与其他分子相互作用等方面的性能，从而参与调节机体多样化的生命活动。多数蛋白质存在翻译后修饰，目前已知的蛋白质共价修饰方式多达200余种，主要包括磷酸化、亚硝基化、硝基化、泛素化和小泛素相关修饰物化（SUMO）等。我们就蛋白质翻译后修饰类型和生物学功能做以下综述。关键词：蛋白质翻译后修饰；磷酸化；糖基化；硝基化；亚硝基化；泛素化；SUMO1磷酸化磷酸化是蛋白质翻译后修饰中最广泛的共价修饰方式，三磷酸腺苷/三磷酸鸟苷的位磷酸基团经磷酸化激酶催化转移到蛋白质特定位点上，而其反向过程去磷酸化由蛋白磷酸酶催化去除相应磷酸基团。发生磷酸化的蛋白质按磷酸化残基不同分为4类：O-磷酸盐蛋白质由羟氨基酸如丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基磷酸化形成：N-磷酸盐蛋白质:由天冬氨酸或谷氨酸残基磷酸化形成:酰基磷酸盐蛋白质:由精氨酸、赖氨酸或组氨酸残基磷酸化形成：S-磷酸盐蛋白质：由半胱氨酸残基磷酸化形成。其中，丝氨酸/苏氨酸磷酸化主要是通过改变蛋白质空间结构影响酶活性。酪氨酸磷酸化除上述作用外，更重要的是为与其他蛋白质形成多蛋白复合体提供基团,而形成的多蛋白复合体可进一步促进蛋白质磷酸化。在多细胞生物有丝分裂中，相比非磷酸化的组蛋白H380位点苏氨酸，组蛋白H2A和H4优先与其磷酸化形式反应，增加与邻近核小体结合。从而促进染色质的紧密贴合。表皮生长因子受体654位的苏氨酸经蛋白激酶C催化发生磷酸化，可抑制溶酶体对其自身的降解，此外，654位苏氨酸磷酸化可以保护表皮生长因子与表皮生长因子受体的结合。共济失调毛细血管扩张症突变基因磷酸化的小鼠CGG三聚体重复结合蛋白1的164位苏氨酸是端粒的保护信号，未被磷酸化的CGG三聚体重复结合蛋白1的164位苏氨酸的过表达引起端粒缩短和融合。融合基因断裂点簇集区艾贝尔逊白血病病毒通过与泛素特异性修饰酶7酪氨酸残基磷酸化（HAUSP）相互作用使后者HAUSP被激活,活化的HAUSP引起人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因去泛素化，并促使人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因经核浆穿梭从细胞核易位到细胞质，而细胞核中泛素化的人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因相应减少，降低其抑制细胞增殖的作用。细胞周期蛋白依赖激酶5和糖原合成酶激酶3B使微管相关蛋白质Tau异常高度磷酸化，聚集形成的神经原纤维缠结是阿尔茨海默病2个病理学特征之一。2亚硝基化蛋白质S-亚硝基化是一种典型的氧化还原依赖的可逆的共价修饰方式，在机体生理、病理情况下均发挥着重要作用。NO氧化疏水区的半胱氨酸巯基，生成亚硝基硫醇和亚硝基化蛋白质，前者包括亚硝基半胱氨酸和亚硝基谷胱甘肽，后者也称蛋白质巯基亚硝基化。去亚硝基化包括非酶依赖及酶依赖2条途径，非酶依赖途径主要是指大多数高分子质量蛋白质通过谷胱甘肽的转亚硝基化作用发生去亚硝基化。而硫氧还蛋白氧化还原系统、亚硝基化谷胱甘肽还原酶系统、硫辛酸/硫辛酰胺脱氢酶还原型辅酶II系统等，则经酶依赖的途径发生去亚硝基化。多种酶在此过程中发挥着重要作用，特别是亚硝基谷胱甘肽还原酶和硫氧还蛋白。Trx氧化还原系统包括Trx1、Trx1还原酶、还原型辅酶II。Trx1中Cys73位点亚硝基化及具有氧化还原活性的32/35位点的Cys对Cys73位点的调节在介导转亚硝基化中发挥重要的作用，主要催化低分子质量的S-亚硝基化硫醇和其他S-亚硝基化的蛋白质。亚硝基化的蛋白质参与细胞信号转导，某些钙离子、钾离子、钠离子通道发生亚硝基化，促进通道开放，电流增加。细胞蛋白质间的转亚硝基化作用在基于介导的细胞信号转导中发挥更普遍的作用，且新生成的亚硝基化的蛋白质也参与NO介导的细胞信号传导。由于细胞类型、细胞内氧化还原状态及NO水平不同，亚硝基化对细胞凋亡具有双向调节作用，Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9、凋亡型号调节激酶1、凋亡抑制蛋白、B淋巴细胞瘤2基因、N-甲基-D-天冬氨酸受体亚基2A、肿瘤抑制基因P53、Trxl、GOSPEL、抑癌基因人第10号染色体确实的磷酸酶及张力蛋白同源基因等特定位点的亚硝基化抑制细胞凋亡。3硝基化与亚硝基化不同的是，蛋白质硝基化是不可逆的反应。但主要有过氧亚硝基阴离子（ONOO）途径和非（ONOO）途径。前者指诱导型一氧化氮合酶过表达使水平升高，与活性氧簇反应得到活性氮簇如ONOO-等，后者指亚硝酸盐或其他含氮物质在氧化剂存在时，经含铁卟啉的蛋白质如H2O2催化而引发。硝基化没有特定的序列要求，然而有研究发现，酪氨酸残基的表面暴露、不存在立体位阻及其所处的静电微环境是酪氨酸残基选择性硝基化的决定因素，如人胱硫醚合酶发生硝基化的位点在色氨酸43、色氨酸208和酪氨酸223。色氨酸硝基化与酪氨酸不同的是：（1）硝化位点有1-位氮原子，2,4,5,6,7-位的碳原子，并且色氨酸可与ONOO-直接发生硝化反应。（2）色氨酸与ONOO-反应生成的产物种类繁多且呈剂量依赖性。（3）硝基化的酪氨酸比硝基化的色氨酸更普遍，在蛋白质全部的氨基酸中，酪氨酸比色氨酸更普遍（酪氨酸占蛋白质全部氨基酸的3%-4%。而色 氨 酸 仅1%）酪 氨 酸 与ONOO-反 应 速 率 较 色 氨 酸快。ONOO-可以氧化酪氨酸磷酸酶的关键半胱氨酸残基，抑制其活性，间接地增强了酪氨酸激酶活性，从而促进酪氨酸磷酸化。根据ONOO-浓度不同，分别促进或抑制酪氨酸发生磷酸化。纤维蛋白原是心血管的危险因子，而硝基化的纤维蛋白原有抑制血小板聚集和血栓形成的作用。脂多糖通过硝基化介导Ras同系物基因家族成员A活化，致内皮屏障功能障碍引起肺损伤，给予Ras同系物基因家族成员A硝基化抑制多肽后，Ras同系物基因家族成员A硝基化水平、内皮屏障功能障碍明显降低。4泛素化泛素化是发现的第一个以蛋白/多肽分子作为修饰因子的共价修饰方式,含经典途径和非经典途径.经典途径指经特定酶催化.将由76个氨基酸组成的、高度保守的一个或多个泛素分子共价结合到靶蛋白上，形成带有多聚泛素链的靶蛋白：后者可与26s蛋白酶体中的19s亚基结合。由20s亚基将其降解为含6-10个氨基酸残基的小肽段。非经典途径泛素化指以单泛素化或通过K48以外的赖氨酸（K63、K29等）形成的多泛素化，通过改变底物蛋白的活性%在细胞中的定位和与其他蛋白相互作用的性能等方面参与生理活动、3种关键酶(泛素活化酶：泛素聚集酶E1、泛素聚集酶E2和泛素连接酶E3，消耗ATP，泛素通过其C端与E1中具有活化作用的半胱氨酸形成高能硫脂键从而得到活化。然后E2从E1接受活化的泛素，并在E3的介导下将其偶联到相应底物蛋白赖氨酸的氨基上，通过在此过程中产生的泛素链则可在去泛素酶作用下降解成泛素单体，重新被使用。5 SUMO类泛素修饰因子与泛素有相似结构和修饰过程，SUMO是其中之一。相对分子质量11000的SUMO分子与泛素分子氨基酸序列同源性只有约18%，但两者空间结构极其相似。在哺乳动物中，目前已发现4种SUMO基因，分别为SUMO-1，SUMO-2，SUMO-3和SUMO-4.SUMO1-3在各种组织均可表达。而SUMO-4在肾脏表达最高，淋巴结和,脾脏也有表达。只有SUMO-1、SUMO-2和SUMO-3可与底物结合，SUMO-1主要修饰生理情况下蛋白质,SUMO-2和SUMO-3主要修饰应激蛋白。SUMO化循环包括激活、结合、连接和去SUMO化过程。SUMO活化酶E1是异源二聚体，由Aosl和Uba2组成。2个亚基功能、调控均不同且需两者同时存在才能正常发挥功能。SUMO结合酶E2即Ubc9，由153个氨基酸组成，是一种核蛋白，可定位到核孔复合物的细胞质侧和核质侧。SUMO-Ubc9硫酯中间体，能促进赖氨酸基团形成牢固异肽键，进而使SUMO分子结合到靶蛋白上。SUMO连接酶E3主要包括:PIAS、RanBP2和Pc2.该酶不与SUMO结合,而是通过活化Ubc9，缩短Ubc9与靶蛋白之间的距离，从而增强Ubc9到底物蛋白转移效率和特异性。SUMO特异性蛋白酶目前人类已有6种(SUMO特异性蛋白酶1、2、3、4、5、6、7)，是一种双功能酶，作用于SUMO前体C端,暴露双甘氨酸残基,使其活化:也可将SUMO分子从底物上解离出来,重新进入SUMO化循环。含SUMO结合保守基序，该基序的存在可增加蛋白质被SUMO化的可能性，但不是SUMO化发生的必要条件。SUMO底物在细胞不同部位都有分布，主要定位在细胞核,在大多数情况下，细胞内SUMO化修饰主要抑制转录作用。SUMO也可通过热休克因子1。热休克因子2和-链蛋白转录因子对转录激活起正性调控作用。在细胞有丝分裂过程中，着丝点及有丝分裂染色体相关蛋白的SUMO化对染色体分离至关重要。细胞内SUMO可与泛素竞争结合底物蛋白的同一赖氨酸位点，达到阻止蛋白降解的作用。SUMO化的NF-kB抑制蛋白亚基、抑癌基因和亨廷顿蛋白可避免泛素化降解并保持自身稳定。锌指蛋白131SUMO化对雌激素信号有负性调节作用及乳腺癌细胞增殖。与血液系统疾病相关的信号通路中多个关键分子发生SUMO化修饰，如用于急性早幼粒细胞白血病治疗的三氧化二砷与融合蛋白早幼粒细胞白血病基因-维甲酸受体基因结合促使后者发生多聚SUMO化而经泛素蛋白酶体系统降解，缓解症状。酪胺酰DNA磷酸二酯酶1对神经DNA单链断裂修复至关重要，而酪胺酰DNA磷酸二酯酶1SUMO化促进其在DNA损伤部位的适当聚集，保证修复的高效性.SUMO化对人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因的膜相关性和肿瘤抑制活性至关重要。小鼠短暂性局部缺血,脊髓表现大量的SUMO-2和SUMO-3.对局部缺血损伤有内源性的神经保护作用，从而产生缺血耐受。6小结与展望蛋白质翻译后修饰对蛋白质加工成熟、变构和多样化的功能有重要作用，研究蛋白质翻译后修饰，将有助于认识翻译后修饰在机体生命中的意义和在分子水平上揭示复杂的蛋白质功能，以及有助于控制蛋白质翻译后修饰过程并对其进行调节。然而，蛋白质翻译后修饰的普遍性、多样性、选择性、动态性和复杂性，导致在整体水平上认识翻译后修饰仍有困难，其生物学意义等仍不十分清楚，有待进一步研究。参考文献1 Hammond SL, Byrum SD, Namjoshi S, et al. 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