蛋白質(zhì)翻譯后修飾(Post-translational modifications, PTMs)是指蛋白質(zhì)合成后在其氨基酸側(cè)鏈或末端進(jìn)行的一系列化學(xué)修飾,這些修飾極大地擴(kuò)展了基因編碼的信息容量,賦予蛋白質(zhì)多樣化的功能。PTMs不僅增加了蛋白質(zhì)的多樣性,而且在細(xì)胞信號傳遞、蛋白質(zhì)折疊、穩(wěn)定性和降解、細(xì)胞周期調(diào)控、基因表達(dá)調(diào)控等方面起著至關(guān)重要的作用。本期將帶大家了解磷酸化和乙酰化兩種翻譯后修飾,每種修飾都參與了大部分的細(xì)胞生命進(jìn)程。
磷酸化:
磷酸化是蛋白質(zhì)最常見的翻譯后修飾之一,它涉及到將一個磷酸基團(tuán)(PO?³?)通過磷酸酯鍵連接到蛋白質(zhì)的特定氨基酸殘基上。通常,磷酸化發(fā)生在絲氨酸(Serine, Ser)、蘇氨酸(Threonine, Thr)、酪氨酸(Tyrosine, Tyr)殘基上的羥基側(cè)鏈上。其中,絲氨酸和蘇氨酸的磷酸化最為普遍,而酪氨酸的磷酸化則更多地與細(xì)胞信號傳導(dǎo)路徑的調(diào)節(jié)相關(guān)。
圖1. 一個經(jīng)過磷酸化之后的絲氨酸殘基
磷酸化幾乎影響到所有的細(xì)胞進(jìn)程,包括:
(1)信號轉(zhuǎn)導(dǎo):許多胞外刺激會引發(fā)級聯(lián)反應(yīng),其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化。例如,受體酪氨酸激酶(RTKs)在細(xì)胞表面接受生長因子信號后,自身發(fā)生自磷酸化,激活下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子,如RAS、RAF、MEK、ERK等,最終影響基因表達(dá)和細(xì)胞功能。
(2)酶活性調(diào)節(jié):磷酸化常常作為“開關(guān)”來調(diào)節(jié)酶的活性。例如,糖原磷酸化酶在未磷酸化狀態(tài)下不具活性,但一旦被特定的激酶磷酸化后即可激活,催化糖原分解成葡萄糖,供能給細(xì)胞。
(3)蛋白質(zhì)定位:磷酸化還可以改變蛋白質(zhì)的電荷狀態(tài),影響它們與其他蛋白質(zhì)或細(xì)胞器的相互作用,從而決定蛋白質(zhì)的亞細(xì)胞定位。例如,磷酸化的肌動蛋白輕鏈可以促進(jìn)肌肉收縮,這是因為磷酸化增強(qiáng)了肌球蛋白頭部對肌動蛋白的親和力。
(4)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用:磷酸化位點(diǎn)經(jīng)常成為其他蛋白質(zhì)識別和結(jié)合的熱點(diǎn),這對于組裝信號復(fù)合體、調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)復(fù)合體的形成和拆解極為重要。
(5)細(xì)胞周期調(diào)控:細(xì)胞周期進(jìn)展受到一系列蛋白質(zhì)磷酸化事件的嚴(yán)格控制。例如,周期蛋白依賴性激酶(CDKs)的磷酸化和去磷酸化狀態(tài)決定了G1/S和G2/M等關(guān)鍵檢查點(diǎn)的通過與否。
實(shí)例:
(1)胰島素信號通路中的IRS-1磷酸化:胰島素與其受體結(jié)合后,激活受體自身的酪氨酸激酶活性,導(dǎo)致胰島素受體底物1(IRS-1)的多個酪氨酸位點(diǎn)被磷酸化。磷酸化的IRS-1隨后招募并激活PI3K,觸發(fā)下游的Akt/PKB信號通路,影響糖和脂肪代謝。
(2)MAPK信號通路:在細(xì)胞受到多種外界刺激時,MAPK家族成員如ERK、JNK和p38會被連續(xù)的三級激酶體系磷酸化激活,進(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞核,調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子活性,影響基因表達(dá)和細(xì)胞增殖、分化、凋亡等過程。
(3)細(xì)胞骨架重塑:肌動蛋白聚合和解聚的動態(tài)平衡受到肌動蛋白結(jié)合蛋白(如cofilin)磷酸化狀態(tài)的調(diào)控。磷酸化抑制cofilin的活性,減少肌動蛋白絲的切割和重排,維持細(xì)胞形態(tài)穩(wěn)定。
乙?;?/span>
乙?;傅氖窃诘鞍踪|(zhì)的特定氨基酸殘基上添加一個乙?;–H?CO)。最常見的是在賴氨酸(Lysine, K)殘基的ε-氨基上進(jìn)行乙?;纬蒒-ε-乙酰賴氨酸。乙酰基的引入改變了賴氨酸側(cè)鏈的正電荷特性,降低了它的親水性和正電荷密度,從而對蛋白質(zhì)的功能產(chǎn)生重大影響。
圖2. 水楊酸乙?;纬砂⑺酒チ?/span>
(1)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控:組蛋白乙?;潜碛^遺傳調(diào)控中最著名的例子。組蛋白是構(gòu)成染色質(zhì)的主要成分,它們的N-端尾巴富含賴氨酸。當(dāng)這些賴氨酸殘基被乙?;瘯r,會減弱組蛋白與DNA之間的靜電吸引力,使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得較為松散,便于轉(zhuǎn)錄機(jī)器訪問啟動子區(qū),從而增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄活性。
(2)代謝酶活性調(diào)節(jié):許多參與能量代謝的關(guān)鍵酶都受到乙酰化的影響,如丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體等。這些酶的乙?;癄顟B(tài)直接影響它們的活性,進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的能量代謝。
(3)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性與降解:乙?;€會影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性,某些情況下,乙?;赡軙谏w泛素化位點(diǎn),防止蛋白質(zhì)被蛋白酶體降解,延長其半衰期。
(4)信號傳導(dǎo):一些參與信號傳導(dǎo)的蛋白質(zhì)也可以通過乙酰化進(jìn)行調(diào)控,比如NF-κB的活性就受其乙?;癄顟B(tài)的影響。
(5)細(xì)胞凋亡:P53腫瘤抑制蛋白在誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的過程中,其乙?;癄顟B(tài)起到關(guān)鍵作用。乙?;鰪?qiáng)P53的轉(zhuǎn)錄活性,使其能夠更有效地激活下游凋亡相關(guān)基因。
實(shí)例:
(1)組蛋白乙酰化與基因表達(dá):組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HATs)負(fù)責(zé)將乙?;拥浇M蛋白的賴氨酸殘基上,組蛋白去乙?;福℉DACs)則執(zhí)行相反的任務(wù),即去除乙?;_@兩者的平衡決定了組蛋白的乙?;剑瑥亩{(diào)控基因的表達(dá)。例如,HDACi(組蛋白去乙?;敢种苿┛梢酝ㄟ^阻止組蛋白的去乙?;?,使染色質(zhì)更加開放,增加轉(zhuǎn)錄活躍性,已被用于癌癥治療的研究中。
(2)代謝酶的乙酰化調(diào)節(jié):丙酮酸脫氫酶復(fù)合體是糖酵解向三羧酸循環(huán)過渡的關(guān)鍵酶,其活性受多種因素調(diào)節(jié),其中包括乙?;癄顟B(tài)。在饑餓或禁食狀態(tài)下,該酶的乙酰化水平升高,活性降低,限制了丙酮酸向乙酰輔酶A的轉(zhuǎn)化,減少了脂肪酸的生成,促進(jìn)了脂肪酸的氧化,以適應(yīng)能量需求的變化。
(3)p53乙?;c細(xì)胞命運(yùn)決策:在DNA損傷響應(yīng)中,p53蛋白的乙?;瘜ζ涔δ苤陵P(guān)重要。乙?;粌H可以提高p53的轉(zhuǎn)錄活性,還能增強(qiáng)其與DNA的結(jié)合能力,促使細(xì)胞進(jìn)入凋亡程序,避免受損DNA的錯誤修復(fù)和惡性轉(zhuǎn)化,維護(hù)基因組的穩(wěn)定性。
下一期將帶科研寶子們了解甲基化和糖基化這兩種修飾,敬請期待吧!