几种常见的蛋白质的修饰

蛋白质的修饰

蛋白质磷酸化是由蛋白激酶催化的磷酸基转移反应，是最常见、最重要的蛋白质翻译后修饰方式之一，是一种普遍的生命活动调节方式。

蛋白质磷酸化是通过蛋白激酶催化将ATP或GTP的γ位磷酸基转移到蛋白质的特定位点上的过程，其逆过程由蛋白磷酸酶催化，称为蛋白质去磷酸化。

可逆的蛋白质磷酸化过程几乎涉及细胞所有的生理及病理过程。在细胞信号转导、神经活动、肌肉收缩以及细胞增殖、发育和分化等生理病理过程中，许多调控机制都涉及蛋白质的磷酸化修饰。

蛋白质磷酸化修饰的具体生物化学效应包括：增强或减弱被修饰蛋白质的酶活性或其他活性；改变其亚细胞内定位；改变其与其他蛋白质或其他生物分子的相互作用。

    蛋白激酶(protein kinase,PK)是目前已知最大的蛋白家族，所有蛋白激酶都有一个非常保守的催化核心和多种调控模式。催化核心由250~300个氨基酸残基组成。催化核心以外的区域往往与PK的酶活性调节和亚细胞定位有关，但没有进化同源性。根据底物的磷酸化位点可将蛋白激酶分为三大类。

1.蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶(protein serine/ threonine kinase)是一大类特异性催化蛋白质丝氨酸和(或)苏氨酸残基磷酸化的激酶家族。

2.蛋白质酪氨酸激酶(protein tyrosine kinase, PTK)是一类特异性催化蛋白质酪氨酸残基磷酸 化的激酶家族，分为受体型PTK和非受体型PTK。

3.双专一性蛋白激酶(double specific protein kinase,DSPK)这类激酶可以同时自身磷酸化Tyr和Ser/Thr。

蛋白磷酸酶(protein phosphatase,PP)所催化的反应与蛋白激酶催化的反应相反，是使磷酸化蛋白发生去磷酸化。根据磷酸化的氨基酸残基不同可将蛋白磷酸酶分为两类。

1.蛋白质丝氨酸/苏氨酸磷酸酶：将磷酸化的Ser/Thr残基去磷酸化的蛋白磷酸酶有PP1、 PP2A、PP2B、PP2C、PPX等，其亚细胞定位各有侧重，均有亚型。PP1主要存在于细胞质(其中PP1A位于糖原产生的区域，PP1G位于肌质网，PP1M位于肌丝，PP1N位于细胞核);PP2A主要存在于细胞质，少数在线粒体和细胞核；PP2C主要存在于细胞质；PPX存在于细胞核和中心体。

2.蛋白质酪氨酸磷酸酶：目前已发现有30 多种蛋白质酪氨酸磷酸酶，其中1/3是跨膜的蛋白 质酪氨酸磷酸酶，类似受体分子；大部分(约2/3)则位于胞质，为非受体型蛋白质酪氨酸磷酸酶。这两类酶除高度保守的催化亚单位外，非催化区氨基酸序列有很大区别。

蛋白质甲基化(protein methylation)是指在甲基转移酶催化下，甲基基团由S-腺苷甲硫氨酸转移至相应蛋白质的过程。甲基基团虽然不能明显改变整个氨基酸的电荷，只是替代了氨基上的H原子，但却减少了氢键的形成数量，而且甲基的加入增加了空间阻力，进而影响底物与蛋白质的相互作用。

     蛋白质甲基化修饰可产生多种不同的效应，包括影响蛋白质之间的相互作用、蛋白质和RNA 之间的相互作用、蛋白质的定位、RNA加工、细胞信号转导等。如组蛋白甲基化可影响异染色质形成、基因印记和转录调控。

     催化蛋白质甲基化的酶是甲基转移酶，蛋白质主要在赖氨酸或精氨酸侧链氨基上进行甲基化。另外，也有在天冬氨酸或谷氨酸侧链羧基上进行甲基化形成甲酯的形式。

乙酰化也是细胞内蛋白质翻译后修饰的一种重要形式。细胞内许多蛋白质都可以发生乙酰化 修饰。

蛋白质乙酰化(protein acetylation)是指在乙酰基转移酶的催化下，在蛋白质特定的位置添加乙酰基的过程。

 1.组蛋白的乙酰化调节基因转录核心组蛋白N-末端富含赖氨酸，生理条件下带正电荷，可与带负电荷的DNA或相邻的核小体发生作用，导 致核小体构象紧凑及染色质高度折叠。乙酰化修饰使组蛋白与DNA间的作用减弱，导致染色质构象松散，这种构象有利于转录调节因子接近、结合DNA,促进基因的转录。相反，去乙酰化则抑制基因转录。

 2.乙酰化修饰可实现对自噬过程的动态调控组蛋白乙酰化酶Esa1以及去乙酰化酶Rpd3通过调节自噬发生关键蛋白Atg3的乙酰化水平，可影响细胞自噬的发生。

 3.乙酰化修饰调节代谢酶的活性及代谢通路。在人体的肝细胞中，乙酰化可以普遍修饰代谢 酶，调节代谢酶的活性及代谢通路。

     最早发现的催化蛋白质中赖氨酸乙酰化的酶是组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyltransferase, HAT)。目前已知，HAT是一大类蛋白家族，人的 HAT至少有15种以上，分为数个亚家族。许多重要的转录调控分子，如p300等转录辅激活因子都属于HAT家族。

小泛素相关修饰物(small ubiquitin related modifier,SUMO)是类泛素蛋白家族的重要成员之一，可与多种蛋白结合发挥相应的功能。SUMO的分子结构及SUMO化的反应途径都与泛素类似，但二者功能完全不同。SUMO化修饰可参与转录调节、核转运、维持基因组完整性及信号转导等多种细胞内活动，是一种重要的多功能蛋白质翻译后修饰方式。

1.SUMO的结构：SUMO与泛素具有相同的

三维结构，即一个β-折叠缠绕一个α-螺旋的球状折叠，而且参与反应的C-端双Gly残基位置也十分相似。不同的是SUMO的N-端还含有一个约10~25个氨基酸长度的柔韧延伸，而泛素无此结构；二者的表面电荷分布也完全不同，这提示它们可能具有不同的功能。

2.SUMO的分类：SUMO蛋白分布广泛，存在于各种真核生物细胞中，在芽殖酵母、线虫、果蝇及培养的脊椎动物细胞中均有表达。人类基因组编码了4种不同的SUMO蛋白，分别为：SUMO1(又称PIC1、UBL1、GMP1或SMT3C)、SUM02(又称SMT3A)、SUMO3(又称SMT3B)和SUMO4。其中 SUMO1-3在各种组织中均有表达，而SUMO4则主要在肾脏、淋巴结和脾脏中表达。

     SUMO化修饰需要多个酶参与，包括E1活化酶，E2结合酶以及E3连接酶。E1活化酶是一种异源二聚体，在哺乳动物中为SAE1/SAE2,其中两个亚基的功能及调控各不相同，但必须二者都存在时才能够正常发挥功能。E2结合酶为UBC9,它是SUMO化修饰中唯一的E2结合酶。现已发现的E3连接酶主要包括3类：PIAS家族、核孔蛋白RanBP2/Nup358和Pc2(polycomb groupprotein 2)。SUMO化修饰仅凭E1活化酶和E2结合酶即足以使底物蛋白完成修饰。但事实上，体内大多数SUMO化修饰仍需要E3连接酶的参与，E3连接酶并不与SUMO分子形成共价结合，但它可以结合

 E2(UBC9)和底物，促进SUMO由E2向底物转移。

1.SUMO化的核内底物多数都是转录调节因子或共调节因子

     在哺乳动物中，SUMO化对许多转录因子产生负调控作用，包括转录因子ELK、 SP3、SREBP、STAT1、SRF、c-Myb、C/EBP；此外，对转录共激活因子p300以及雄激素受体和孕激素受体也可起到负性调控的作用。但SUMO也可通过热激蛋白HSF1、HSF2和β-catenin活化因子TCF4对 转录激活起正性调控作用。

2.SUMO参与维持基因组的完整性及调节染 色体凝集与分离

     SUMO结合对于维持高度有序 的染色质结构及协助染色体分离都有一定的作用。 研究发现，裂殖酵母若缺失SUMO连接虽然可以存活，但长势很差，对DNA损伤剂非常敏感，发生染色体丢失和畸形有丝分裂的频率也大大增加。

3.SUMO参与DNA修复过程

      SUMO E3连接酶MMS21/NSE2能催化SMC5/6复合体SUMO化， 参与DNA双链断裂的修复，若此E3连接酶功能丧失则会引起DNA损伤敏感性增高。

4.SUMO可拮抗泛素的作用

     SUMO可与泛素竞争结合底物蛋白的同一赖氨酸结合位点，从而达到阻止蛋白降解的作用。如在正常情况下，转录因子NF-kB在胞质中与抑制物IkBα结合处于非活性状态，在外界刺激作用下，IkBα发生泛素化随之被蛋白酶体降解，从而使NF-kB进入细胞核，激活靶基因转录。而SUMO可与泛素竞争结合IkBα的同一赖氨酸位点，使之免受泛素-蛋白酶体系统的降解。

5.SUMO可调节蛋的核质转运及信号转导 

RanGAP1是第一个被发现的SUMO的重要底物。SUMO化的RanGAP1具有活化小GTP酶蛋白Ran的重要功能。因为Ran是核孔复合体中的重要成分，具有控制蛋白核质转运的功能，RanGAP1的SUMO化便成了Ran发挥核质转运功能不可缺少的条件。

在细胞中筛查出67个新的组蛋白修饰标记时，发现了一种新型组蛋白翻译后修饰方式——赖 氨酸巴豆酰化修饰(lysine crotonylation,Kcr)。赖氨酸巴豆酰化修饰是一种进化上高度保守，且在细胞生物学功能上完全不同于组蛋白赖氨酸乙酰化的蛋白质修饰方式。

蛋白质巴豆酰化是指在巴豆酰基转移酶的催化下，在蛋白质特定的位置添加巴豆酰基的过程。催化蛋白质巴豆酰化的酶是巴豆酰基转移酶。

组蛋白赖氨酸巴豆酰化修饰与基因的活化密切相关。在人类体细胞和小鼠精子细胞基因组中，组蛋白Kcr分布于基因活性转录启动子区域或增强子上。在减数分裂后的精子细胞中，Kcr高丰度集中在性染色体上，标记睾丸特异性基因，其中包括大量性染色体活性基因，但机制目前尚不清楚。