蛋白質(zhì)翻譯后修飾ppt課件(PPT 38頁)

1、現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展 2008 Vol.8 1729.第1頁，共38頁。很長時(shí)間里，蛋白質(zhì)翻譯后修飾并未引起足夠重視，直到2004 年泛素介導(dǎo)蛋白質(zhì)降解的發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)之后，這一情形才有明顯改觀。迄今，人們已發(fā)現(xiàn)多達(dá)200 多種的蛋白質(zhì)修飾。蛋白質(zhì)翻譯后修飾是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的關(guān)鍵步驟之一，是蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)反應(yīng)和相互作用的一個(gè)重要分子基礎(chǔ)，同時(shí)，它也是細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的重要靶點(diǎn)。蛋白質(zhì)翻譯后修飾幾乎參與了細(xì)胞所有的正常生命活動(dòng)過程，并發(fā)揮十分重要的調(diào)控作用，目前已經(jīng)成為國際上蛋白質(zhì)研究的一個(gè)極其重要的領(lǐng)域。.第2頁，共38頁。第三章 蛋白質(zhì)翻譯后修飾第一節(jié) 原核生物的翻譯后修飾第二節(jié) 真核生物的

2、翻譯后修飾.第3頁，共38頁。 一些新生肽鏈從核糖體上釋放下來后可以直接折疊成最終的三維結(jié)構(gòu)。但多數(shù)情況下是新生肽要經(jīng)過一系列的加工修飾，才具有功能。第一節(jié) 原核生物的翻譯后加工1.切除加工2.糖基化3.甲基化4.磷酸化5.乙?；?.泛素化.第4頁，共38頁。1.切除加工包括去掉N端的甲酰甲硫氨酸和信號(hào)肽序列。信號(hào)肽（Signal peptide），也叫引導(dǎo)肽（leader peptide），是決定多肽最終去向的一段序列，通常較短，典型情況下位于N端。在細(xì)菌中的一個(gè)例子就是多肽要插入細(xì)胞質(zhì)膜必須借助信號(hào)肽序列。2.糖基化 曾經(jīng)一度認(rèn)為糖基化只存在于真核細(xì)胞中，但研究表明，原核生物中也存在蛋白質(zhì)

3、的糖基化修飾，而且由于在糖基的單糖結(jié)構(gòu)和組成上的不同而顯得比真核生物中的更加豐富多樣。.第5頁，共38頁。3.甲基化蛋白質(zhì)的甲基化是指在甲基轉(zhuǎn)移酶催化下，甲基基團(tuán)由S- 腺苷基甲硫氨酸轉(zhuǎn)移至相應(yīng)蛋白質(zhì)的過程，既可以形成可逆的甲基化修飾，如羧基端的甲基化修飾；也可以形成不可逆的甲基化修飾，如氨基端的甲基化修飾。在原核生物中也普遍存在蛋白質(zhì)的甲基化。在大腸桿菌和有關(guān)細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的一種甲基轉(zhuǎn)移酶能甲基化膜結(jié)合的化學(xué)受體蛋白的谷氨酸殘基。這種甲基轉(zhuǎn)移酶和另外一種甲基酯酶催化的甲基化/去甲基化過程在細(xì)菌趨化性的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用。.第6頁，共38頁。4.磷酸化蛋白質(zhì)的磷酸化是指通過酶促反應(yīng)將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移

4、到目的蛋白特定的氨基酸殘基上的過程，是可逆的。這是生物體內(nèi)存在的一種普遍的調(diào)節(jié)方式，在細(xì)胞信號(hào)的傳遞過程中占有極其重要的地位。近年來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由蛋白激酶和蛋白磷酸化酶催化的蛋白質(zhì)磷酸化/去磷酸化在原核生物中十分普遍。磷酸化/去磷酸化的意義還不太清楚。目前只知在細(xì)菌趨化性和氮代謝調(diào)空中有瞬間的磷酸化作用。.第7頁，共38頁。5.乙?；?乙?；揎検紫仁窃谡婧松镏邪l(fā)現(xiàn)的，發(fā)生乙?；奈稽c(diǎn)是結(jié)合在DNA 上組蛋白的賴氨酸殘基著-NH2，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起到重要的調(diào)節(jié)作用。隨著研究的深入，近些年在原核生物中也發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)乙?；揎棥NA結(jié)合蛋白的乙?；揎椧阴］o酶A合成酶(ACS)的乙?；揎椇颂求w蛋白

5、的乙?；揎?第8頁，共38頁。6.類泛素化2008 年之前在原核生物中只發(fā)現(xiàn)了蛋白酶體，卻從未發(fā)現(xiàn)泛素或類泛素的蛋白質(zhì)的修飾，因此一度認(rèn)為蛋白酶體對(duì)原核生物蛋白質(zhì)的降解完全依賴于蛋白質(zhì)自身的組成和結(jié)構(gòu)。2008年,Pearce等在結(jié)核分枝桿菌中發(fā)現(xiàn)了與泛素功能相似的蛋白質(zhì),命名為原核類泛素蛋白(prokaryotic ubiquitin-like protein,Pup)。Pup可以在輔助因子的作用下標(biāo)記多種功能蛋白,并介導(dǎo)被標(biāo)記蛋白質(zhì)通過蛋白酶體降解。Pup-蛋白酶體通路的發(fā)現(xiàn)揭示了原核生物中一個(gè)嶄新的蛋白質(zhì)降解機(jī)制。 .第9頁，共38頁。第二節(jié) 真核生物的翻譯后加工許多真核生物的新生肽都

6、要經(jīng)過翻譯后加工或修飾，這種加工修飾可以發(fā)生在延伸著的肽鏈中和翻譯后。一般情況下，翻譯后修飾一是為了功能上的需要，另一種情況是折疊成天然構(gòu)象的需要。1.切除加工2.糖基化3.羥基化4.磷酸化5.脂酰化6.甲基化7.乙?；?.泛素化9.二硫鍵形成.第10頁，共38頁。1.切除加工典型的情況包括切除N-端甲硫氨酸、信號(hào)肽序列和切除部分肽段將無活性的前體轉(zhuǎn)變成活性形式。一些酶的前體（稱為前體酶proenzyme，或酶原zymegen）或無活性的多肽前體（稱為前體蛋白，proprotein）只有切除特定的肽段后才能從無活性形式轉(zhuǎn)變成活性形式。下圖是胰島素的翻譯后加工。.第11頁，共38頁。包含信號(hào)肽的

7、胰島素前體稱為前胰島素原（pre-proinsulin）。去掉信號(hào)肽的胰島素的前體稱為胰島素原(proinsulin)。進(jìn)一步切除稱為C鏈的肽段后才能形成活性形式的胰島素（insulin）.第12頁，共38頁。蜂毒素能溶解動(dòng)物細(xì)胞，也能溶解蜜蜂自身的細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)合成沒有活性的前毒素，分泌進(jìn)入刺吸器后，N端的22個(gè)氨基酸殘基被蛋白酶水解生成毒素。.第13頁，共38頁。 蛋白質(zhì)內(nèi)含子 90年代初，發(fā)現(xiàn)了兩類新的內(nèi)含子。一類是蛋白質(zhì)內(nèi)含子，其DNA序列與外顯子一起轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生一條多肽鏈，然后從肽鏈中切除與內(nèi)含子對(duì)應(yīng)的氨基酸序列，再把與外顯子對(duì)應(yīng)的氨基酸序列連接起來，成為有功能的蛋白質(zhì)。另一類是

8、翻譯內(nèi)含子，mRNA中存在與內(nèi)含子對(duì)應(yīng)的核苷酸序列，在翻譯過程中這一序列被“跳躍”過去，因此產(chǎn)生的多肽鏈不含有內(nèi)含子對(duì)應(yīng)的氨基酸序列。.第14頁，共38頁。.第15頁，共38頁。2.糖基化真核生物中糖基化修飾很普遍。通常情況下，分泌蛋白的寡糖鏈較復(fù)雜，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白含有較高的甘露糖。下圖是細(xì)胞中涉及糖基化的蛋白.第16頁，共38頁。3.羥基化在結(jié)締組織的膠原蛋白和彈性蛋白中pro和lys是經(jīng)過羥基化的。此外，在乙酰膽堿酯酶（降解神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿）和補(bǔ)體系統(tǒng)（參與免疫反應(yīng)的一系列血清蛋白）都發(fā)現(xiàn)有4-羥輔氨酸。位于粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（RER）上的三種氧化酶（脯氨酰-4-羥化酶，prolyl-4-hydr

9、oxylase，脯氨酰-3-羥化酶和賴氨酰羥化酶，lysylhydroxylase）負(fù)責(zé)特定pro和lys殘基的羥化。脯氨酰-4-羥化酶只羥化-Gly-x-pro-，脯氨酰-3-羥化酶羥化Gly-pro-4-Hyp（Hyp: hydroxyproline），賴氨酸羥化酶只作用于-Gly-X-lys-。膠原蛋白的脯氨酸殘基和賴氨酸殘基羥化需要Vc，飲食中Vc不足時(shí)就易患?jí)难Y（血管脆弱，傷口難愈），原因就是膠原纖維的結(jié)構(gòu)不力（weak collagen fiber structure）。.第17頁，共38頁。4.磷酸化磷酸化是通過蛋白質(zhì)磷酸化激酶將ATP 的磷酸基轉(zhuǎn)移到蛋白的特定位點(diǎn)上的過程。大

10、部分細(xì)胞過程實(shí)際上是被可逆的蛋白磷酸化所調(diào)控的, 至少有30%的蛋白被磷酸化修飾。在磷酸化調(diào)節(jié)過程中，細(xì)胞的形態(tài)和功能都發(fā)生改變?？赡娴牧姿峄^程幾乎涉及所有的生理及病理過程, 如細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、腫瘤發(fā)生、新陳代謝、神經(jīng)活動(dòng)、肌肉收縮以及細(xì)胞的增殖、發(fā)育和分化等。Fisher 和Krebs 因其在蛋白質(zhì)可逆磷酸化作為一種生物調(diào)節(jié)機(jī)制方面的研究而獲得1992 年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。.第18頁，共38頁。.第19頁，共38頁。蛋白質(zhì)磷酸化蛋白質(zhì)磷酸化可分為4類：O-磷酸鹽、N-磷酸鹽、?；姿猁}和S-磷酸鹽。O-磷酸鹽是通過羥基氨基酸的磷酸化形成的，如絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸、羥脯氨酸或羥賴氨酸磷酸

11、化；N-磷酸鹽是通過精氨酸、賴氨酸或組氨酸的磷酸化形成的；酰基磷酸鹽是通過天冬氨酸或谷氨酸的磷酸化形成的；而S-磷酸鹽則通過半胱氨酸磷酸化形成。.第20頁，共38頁。有絲分裂原激活蛋白激酶（MAPKs） MAPKs家族成員存在于所有的真核生物中，在多種信號(hào)傳遞過程中起作用。它們是一類絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶，Mr約為38000-55000，具有11個(gè)保守的蛋白激酶亞區(qū)。 .第21頁，共38頁。該家族成員包括3種類型 ： 1.分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）；2.分裂原激活蛋白激酶的激酶（mitogen-acti

12、vated protein kinase kinase, MAPKK） 3.分裂原激活蛋白激酶的激酶之激酶（mitogen-activated protein kinase kinase kinase, MAPKKK） 在真核細(xì)胞中，這3種類型的激酶構(gòu)成一個(gè)MAPK級(jí)聯(lián)系統(tǒng)（mitogen-activated protein kinase cascade）,通過MAPKKK- MAPKK- MAPK逐級(jí)磷酸化，將外來信號(hào)級(jí)聯(lián)放大并傳遞下去。 .第22頁，共38頁。MAPKKK位于級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的最上游。它能夠通過脅迫信號(hào)感受器或者信號(hào)分子的受體，或者其本身就直接感受胞外信號(hào)刺激而發(fā)生磷酸化。MAPK

13、KK磷酸化后變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，可以使MAPKK磷酸化。 MAPKK始終存在于細(xì)胞質(zhì)中。MAPKK磷酸化以后通過雙重磷酸化作用將MAPK激活，磷酸化的位點(diǎn)是蘇氨酸/酪氨酸（Thr/Tyr）殘基。 MAPK被磷酸化后有3種可能的去向： （1）停留在細(xì)胞質(zhì)中，激活一系列其它的蛋白激酶；（2）在細(xì)胞質(zhì)中使細(xì)胞骨架成分磷酸化；（3）進(jìn)入細(xì)胞核，通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控基因的表達(dá)。 .第23頁，共38頁。5.脂?；婧松矬w內(nèi)的許多蛋白質(zhì)在翻譯合成的同時(shí)或之后，常與脂類共價(jià)連接。其連接方式有的是直接的，有的是間接的；其存在部位有的是在細(xì)胞膜外表面，有的是在細(xì)胞膜內(nèi)表面,還有的存在于細(xì)胞漿的可溶性區(qū)域中；其功能

14、涉及蛋白質(zhì)與膜的連接、生長調(diào)節(jié)、形態(tài)發(fā)生、受體表達(dá)、膜融合以及保護(hù)蛋白免受水解作用等。尤其對(duì)于生物體內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程起著非常關(guān)鍵的作用, 脂化蛋白相當(dāng)于細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的開關(guān)。脂化修飾多在蛋白質(zhì)分子的N端甘氨酸殘基的氨基或靠近c(diǎn)端半胱氨酸殘基的巰基通過酰胺鍵或硫酯鍵與脂肪酸連接。能與蛋白質(zhì)直接相連的脂肪酸有兩種，一種是肉豆蔻酸，另一種是棕櫚酸。.第24頁，共38頁。非正常修飾的脂蛋白, 會(huì)影響信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程。在30的人體腫瘤中都發(fā)現(xiàn)了Ras 蛋白的變體, 其中80腫瘤為惡性。在細(xì)胞內(nèi), 產(chǎn)生非正常修飾的原因是Ras 蛋白發(fā)生了點(diǎn)突變, 是化學(xué)信號(hào)刺激還是基因變異導(dǎo)致了Ras 蛋白的突變, 尚不清楚

15、。以蛋白質(zhì)脂基化作為藥物靶點(diǎn)已取得一定成績。法呢基轉(zhuǎn)移酶把焦磷酸法呢酯(FPP)轉(zhuǎn)移到Ras蛋白的Cys巰基上。法呢基轉(zhuǎn)移酶抑制劑在抗腫瘤治療中具有很好的療效, 而對(duì)于正常的細(xì)胞卻沒有任何毒性。同樣, 棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶抑制劑也表現(xiàn)出抗腫瘤特性, 對(duì)于乳腺癌、前列腺癌等均有作用。圖片：Ras蛋白的脂化修飾，生命的化學(xué)，1996.5.第25頁，共38頁。6.甲基化蛋白質(zhì)的甲基化修飾是在甲基轉(zhuǎn)移酶催化下, 在賴氨酸或精氨酸側(cè)鏈氨基上進(jìn)行的甲基化。甲基化增加了立體阻力, 并且取代了氨基的氫, 影響了氫鍵的形成。 因此, 甲基化可以調(diào)控分子間和分子與目標(biāo)蛋白的相互作用。另外也有對(duì)天冬氨酸或谷氨酸側(cè)鏈羧基進(jìn)

16、行甲基化形成甲酯的形式。天冬氨酸的甲基化能促進(jìn)已破壞蛋白的修復(fù)或降解。.第26頁，共38頁。組蛋白上的甲基化修飾 組蛋白對(duì)于轉(zhuǎn)錄等過程至關(guān)重要, 它是通過對(duì)其末端的化學(xué)修飾作用如磷酸化、乙?；图谆葏⑴c細(xì)胞核中生命活動(dòng)。組蛋白賴氨酸和精氨酸的甲基化同轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和異染色體的形成有關(guān)。組蛋白乙?；皆黾优c轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)有關(guān), 而組蛋白甲基化修飾的結(jié)果則相對(duì)復(fù)雜, 它可以是轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)或轉(zhuǎn)錄抑制。組蛋白賴氨酸甲基化組蛋白精氨酸甲基化.第27頁，共38頁。組蛋白賴氨酸甲基化。 組蛋白賴氨酸甲基化發(fā)生在H3-K4, H3-K9, H3-K27, H3-K36, H3-K79和H4-K20 上, 還可發(fā)生于

17、H1 N 端。H3-K9, H3-K27,H4-K20 的甲基化與染色體的鈍化過程有關(guān), 而H4-K9 的甲基化可能與大范圍的染色質(zhì)水平的抑制有關(guān)。H3-K4, H3-K36, H3-K79 位的甲基化與染色體轉(zhuǎn)錄激活過程有關(guān), 其中H3-K4 的單甲基化修飾可以對(duì)抗H4-K9 甲基化所導(dǎo)致的基因抑制。.第28頁，共38頁。組蛋白精氨酸甲基化 組蛋白精氨酸甲基化位點(diǎn)為H3-R2, H3-R4, H3-R17, H3-R26, 它們都可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。.第29頁，共38頁。7.乙?；M蛋白的乙?；龠M(jìn)轉(zhuǎn)錄，去乙?；种妻D(zhuǎn)錄。多聚谷氨酰胺疾病是一種神經(jīng)退行性遺傳病是由致病基因CAG 重復(fù)片段的擴(kuò)大引起

18、的。研究顯示, 在擴(kuò)大的多谷氨酰胺誘導(dǎo)的疾病中, 蛋白的乙酰化和去乙?；氖Ш馐且粋€(gè)關(guān)鍵的過程。.第30頁，共38頁。8.二硫鍵形成 二硫鍵通常只發(fā)現(xiàn)于分泌蛋白（如胰島素）和某些膜蛋白中，在細(xì)胞質(zhì)中由于有各種還原性物質(zhì)（如谷胱甘肽glutathione和硫氧還蛋白thioredoxin），所以細(xì)胞質(zhì)蛋白沒有二硫鍵。 因?yàn)閮?nèi)質(zhì)網(wǎng)腔是一個(gè)非還原性環(huán)境，所以粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的新生肽只暫時(shí)形成二硫鍵。當(dāng)新生肽進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔時(shí)，一些肽鏈可能會(huì)按氨基酸次序依次暫時(shí)形成二硫鍵，但最終會(huì)通過交換二硫鍵位置的形式形成正確的結(jié)構(gòu)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中可能還有二硫鍵異構(gòu)酶（disulfide isomerase）催化該過程。.第31

19、頁，共38頁。9.泛素化泛素由76個(gè)氨基酸組成, 高度保守, 普遍存在于真核細(xì)胞內(nèi),故名泛素。共價(jià)結(jié)合泛素的蛋白質(zhì)能被蛋白酶識(shí)別并降解, 這是細(xì)胞內(nèi)短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。與消化道內(nèi)進(jìn)行的蛋白質(zhì)水解不同,從泛素與蛋白的結(jié)合到將蛋白水解成小的肽段, 整個(gè)水解過程需要能量參與。.第32頁，共38頁。泛素-蛋白酶系統(tǒng) 泛素-蛋白酶系統(tǒng)是存在于所有真核生物細(xì)胞的調(diào)控系統(tǒng)。20 世紀(jì)7080 年代, 泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的機(jī)理之謎被揭開,降解過程中需要三種酶的參與: 泛素激活酶(E1)、泛素結(jié)合酶(E2)和泛素蛋白質(zhì)連接酶(E3)。 泛素化降解蛋白的過程中對(duì)蛋白的特異性識(shí)別依賴E3。由E2

20、s 和E3s 介導(dǎo)的泛素化過程可以被去泛素化酶(DUBs)逆轉(zhuǎn)。目前發(fā)現(xiàn)的DUBs 可分為兩大類:泛素碳端水解酶(ubiquitin C-terminal hydrolases,UCHs)和泛素特異性蛋白酶(ubiquitin-spicific processing proteases,UBPs), 兩者都是半胱氨酸水解酶。通常情況下, UCHs 主要水解羰基端的酯和泛素的氨基鍵, 也可以分解泛素前體, 生成活潑的泛素分子; UBPs 分解泛素多聚體鏈。.第33頁，共38頁。泛素-蛋白酶系統(tǒng)對(duì)蛋白特異性水解機(jī)理E1-S-E1-SHE2-S-E1-SHE2-SHE2-SHATP AMP+PPiE3多泛素化蛋白ATP26S蛋白酶體20S蛋白酶體ATP19S調(diào)節(jié)亞基去折疊水解E1：泛素激活酶 E2：泛素載體蛋白 E3：泛素-蛋白質(zhì)連接酶ubiquitin.第34頁，共38頁。DUBs 參與的泛素化調(diào)控.第35頁，共38頁。不同翻譯后修飾