医学分子生物学-2蛋白质的修饰与降解课件

1、第二部分 蛋白质的修饰与降解在完成肽链合成和折叠形成正确的空间构象后，许多蛋白质还需要经过适当的化学修饰，才能发挥正常的功能。蛋白质修饰和降解在真核细胞生长和平衡过程中发挥重要的作用。研究意义原核细胞的结构特点真核细胞的结构特点高尔基体线粒体滑面内质网溶酶体核糖体粗面内质网细胞核蛋白质的修饰概念：是指蛋白质翻译后进行共价修饰加工的过程，通过一个或几个氨基酸残基加上修饰基团而改变蛋白质的性质。目的：调节蛋白质的活性，使蛋白质结构更为复杂，功能更完善。蛋白质的修饰磷酸化修饰脂基化修饰甲基化修饰乙酰化修饰类泛素化修饰巴豆酰化修饰一、磷酸化修饰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

2、后修饰方式之一。在细胞信号转导过程中起重要作用。1992年 Fischer EH和krebs EG 共同获诺贝尔生理或医学奖。蛋白质磷酸化和去磷酸化蛋白质磷酸化：是通过蛋白激酶催化将ATP或GTP的位磷酸基转移到蛋白质特定位点上的过程。蛋白质去磷酸化：蛋白质磷酸化逆过程由蛋白磷酸酶催化，称为蛋白质去磷酸化。细胞内30%蛋白质可被磷酸化和去磷酸化修饰。蛋白质磷酸化的生物学作用 细胞信号传导、 神经活动、 肌肉收缩及细胞增殖、 发育和分化等生理病理过程。许多调控机制都涉及蛋白质的磷酸化修饰。蛋白质磷酸化修饰生物学效应增强或减弱被修饰蛋白质的酶活性或其他活性；改变蛋白质的亚细胞定位；改变蛋白质与其他

3、蛋白质或其他生物分子的相互作用。催化蛋白质磷酸化的蛋白激酶 最大的蛋白家族，有保守的催化核心（250-300个氨基酸残基）和多种调控模式。 根据底物的磷酸化位点分为三类：蛋白质丝氨酸、苏氨酸激酶；蛋白质酪氨酸激酶；双专一性蛋白激酶1.蛋白质丝氨酸、苏氨酸激酶cAMP依赖的蛋白激酶（cAMP dependent protein kinase, PKA)Ca2+/磷脂依赖的蛋白激酶（Ca2+ /phospholipid dependent protein kinase, Ca2+ /PL-PK)或蛋白激酶C (protein kinase C, PKC)Ca2+/钙调蛋白依赖的蛋白激酶（Ca2+

4、/calmodulin dependent protein kinaes, CaM-PK)cGMP依赖的蛋白激酶 (cGMP dependent protein kinase, PKG)DNA依赖的蛋白激酶（DNA dependent protein kinase, DNA-PK)2.蛋白质酪氨酸激酶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.双专一性蛋白激酶同时自身磷酸化Tyr和Ser/Thr在信号级联反应中其重要作用催化蛋白质去磷酸化的蛋白磷酸酶蛋白质丝氨酸/苏氨酸磷酸酶 PP1、PP2A、PP2C、PPX等，亚细胞定位不同。蛋白质酪氨酸磷酸酶 目前

5、已发现30多种，1/3是跨膜蛋白质酪氨酸磷酸酶，类似受体分子。2/3位于胞质，为非受体型蛋白质酪氨酸磷酸酶。蛋白激酶抑制剂和蛋白磷酸酶抑制剂蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性均可被一些小分子化合物抑制。这些小分子化合物在疾病治疗或蛋白激酶和蛋白磷酸酶的研究中具有重要的意义。1.常见的蛋白酶抑制剂作用于蛋白激酶ATP结合部位抑制剂： 该类抑制剂对PKA、PKC、PKG、MLCK、CK 、CK、CAMK均有抑制作用。 是应用最广泛的蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶抑制剂。PTK的抑制剂2.常见的蛋白磷酸酶抑制剂PP1和PP2A的抑制剂： 主要抑制丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶活性。作用于PP2B的抑制剂： 抑制Ca2+

6、依赖蛋白磷酸酶的活性二、脂基化修饰脂基化蛋白是一类膜蛋白，其特定的脂肪链修饰可帮助这类蛋白质细胞膜上定位，协助该蛋白发挥生物学作用。蛋白质脂基化：长链脂肪酸通过O或者S原子与蛋白质形成蛋白缀合物的过程，通常是蛋白质的半胱氨酸残基被棕榈酰化，或者被法呢基化修饰。蛋白质脂基化的生物学作用脂基化蛋白相当于细胞信号转导的开关，在信号转导方面发挥重要作用。蛋白质脂基化增强蛋白质在细胞膜上的亲和性，调节蛋白质的亚细胞定位、 蛋白质的转运、 蛋白质之间的相互作用及蛋白质的稳定性。催化蛋白质脂基化的酶棕榈酰基转移酶 该酶抑制剂具有抗肿瘤特性法呢基转移酶 该酶抑制剂对正常细胞无毒性，对肿瘤细胞有抑制作用。三、甲

7、基化（protein methylation)修饰 概念：在甲基化转移酶催化下，甲基基团由甲基S-腺苷甲硫氨酸转移至相应蛋白质的过程。 甲基代替了氨基上的H原子，减少了氢键的形成数量，甲基增加了空间阻力，影响底物与蛋白质的相互作用。 蛋白质甲基化修饰的生物学作用影响蛋白质之间的相互作用蛋白质与RNA之间的相互作用蛋白质的定位RNA加工细胞信号转导 如：组蛋白甲基化影响异染色质形成、 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。也有在天冬氨酸或谷氨酸侧链羧基上进行甲基化。四、乙酰化(protein acetylatio

8、n）修饰 概念： 是指在乙酰基转移酶的催化下，在蛋白质特定位置上添加乙酰基的过程。 蛋白质乙酰化的生物学作用组蛋白乙酰化调节基因转录可实现对自噬过程的动态调控调节代谢酶的活性及代谢通路催化蛋白质乙酰化的酶 催化蛋白质赖氨酸乙酰化是乙酰基转移酶。五、类泛素化修饰小泛素相关修饰物（small ubiquitin related modifier, SUMO)是类泛素家族重要成员；SUMO分子结构与SUMO化反应途径与泛素类似，但功能不同；SUMO化修饰参与转录调控、核转运、维持基因组完整性及信号转导等。SUMO的结构与泛素相同：一个-折叠缠绕一个-螺旋球形折叠，C-端两个Gly残基。与泛素区别：N

9、-端有10-25个氨基酸的延伸，表面电荷不同。SUMO的分类分布广泛，人类有四种： SUMO1、SUMO2 、 SUMO3、 SUMO4SUMO1-3：在各个组织均表达SUMO4:在肾脏、淋巴结和脾脏表达催化蛋白质SUMO化修饰的酶 SUMO化修饰需要多个酶参与： E1活化酶、E2结合酶、E3连接酶。SUMO化修饰中，E1和E2可使底物蛋白完成修饰。但大多数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，但可以结合E2和底物，促进SUMO由E2向底物转移。SUMO化修饰的生物学意义SUMO化核内底物多数是转录调节因子，进行正调控或负调控；参与维持基因组的完整性及

10、调节染色体凝集与分离；参与DNA修复过程；拮抗泛素的作用，避免蛋白质降解。调节蛋白质核质转运及信号转导。六、巴豆酰化修饰 概念： 是指在巴豆酰基转移酶催化下，在蛋白质赖氨酸添加巴豆酰基的过程。蛋白质巴豆酰化修饰的生物学意义 组蛋白赖氨酸巴豆酰化修饰与基因活化密切相关，机制目前尚不清楚。七、不同翻译后修饰的相互协调与影响1.在细胞信号转导过程中存在多种蛋白质翻译后修饰 脂基化修饰是蛋白质磷酸化的开端，磷酸化修饰过程分别受到特定蛋白激酶调节，是细胞信号转导过程的主体。2.一种蛋白质可以有一种以上的翻译后在RNA聚合酶控制的基因表达过程中，磷酸化和糖基化对RNA聚合酶起到了不同的作用。组蛋白乙酰化和

11、甲基化共同修饰作用八、蛋白质修饰的研究策略 尽管蛋白质翻译后修饰对其生物学功能有着重要的作用，目前对其规模化研究受到分析方法的限制。主要由于翻译后修饰蛋白质的化学计量低，复杂性造成的。蛋白质修饰类型及程度差别大，有的修饰转瞬即逝。 利用电泳、免疫共沉淀、色谱、生物质谱、生物信息学等方法，对修饰蛋白质及修饰位点进行鉴定。第二节 蛋 白 质 的 降 解 蛋白质的降解途径泛素-蛋白酶体通路：需能，高效、特异的蛋白质降解过程，控制着动植物体内绝大多数蛋白质的降解。自噬-溶酶体：不需能量。主要降解细胞外和细胞膜蛋白质泛素-蛋白酶体系统1980年前后Ciechanover A，Hershko A和Rose

12、 发现了泛素-蛋白酶体系统（ubiqutin-proreasomesystem，UPS）2004年获诺贝尔化学奖UPS参与细胞内80%以上蛋白质的降解UPS组成 有酶促活性的蛋白酶体 20S核心颗粒和蛋白酶体激活因子 选择性降解短寿命的调节蛋白和损伤蛋白。 人体有三种蛋白酶体激活因子 19S（PA100）、11S（PA28或REG）和PA200。ATP和泛素依赖的UPS组成 19S蛋白酶体激活因子结合20S蛋白酶体， 形成26S蛋白酶体。 细胞内大多数蛋白质泛素化后，都经26S蛋 白酶体进行降解。26S蛋白酶体的结构 不依赖ATP和泛素的UPS组成11S蛋白酶体激活因子（PA28或REG）因不

13、含ATPase活性，可不依赖ATP和泛素介导蛋白酶体进行蛋白质降解。PA200是分子量为200kDa单体结构激活因子，可激活蛋白酶体降解肽，而不能降解蛋白质。UPS的分类三种激活因子与20S蛋白酶体至少可组成四种蛋白酶体复合体：19S-20S-19S，11S-20S-11S,11S-20S-19S，PA200-20S-19S大多数蛋白质通过26S蛋白酶体以ATP和泛素依赖方式降解；11S-20S-11S,11S-20S-19S，PA200-20S-19S以不依赖ATP和泛素的方式降解一些调节蛋白、氧化蛋白及衰老蛋白。泛素的结构与组成 泛素含有76个氨基酸残基,广泛存在于真核生物， 泛素的氨基酸

14、序列极其保守。泛素共价结合于底物蛋白的赖氨酸残基上，将底物蛋白进行泛素化标记而被UPS特异识别并迅速降解。 泛素激活酶E1：细胞只表达一种E1，将泛素转 移到泛素结合酶E2上； 泛素偶连酶E2：约50种，E2与许多E3作用； 泛素连接酶E3：约1000种，直接或间接与底物 蛋白结合，促进泛素从E2的硫酯键转移到底物 蛋白上，作为被UPS识别和降解的靶向信号。泛素化过程的关键酶泛素化反应泛素的活化：以ATP为能量，将泛素C-端的羧基连接到泛素活化酶E1的巯基上，形成一个泛素和泛素活化酶E1之间的硫酯键。泛素活化酶E1将活化后的泛素通过交酯化反应传递给泛素结合酶E2。泛素连接酶E3将E2上的泛素连

15、接到靶蛋白上。 上述过程循环往复，靶蛋白可共价连接多个泛素分子，然后被26S蛋白酶体降解。泛素化调节和去泛素化调节蛋白质本身提供特定的UPS识别信号。泛素化信号通常被掩盖在正常蛋白质结构中，蛋白质在天然状态下不被降解。蛋白质正常结构出现变化或者受损，暴露这些信号，就会被UPS发现。 UPS的生物学意义 通过降解错误的折叠、突变或者损伤的蛋 白质来维持细胞的质量。 通过降解关键的调节蛋白来控制细胞的基 本生命活动。例如生长、代谢、细胞凋亡、 细胞周期和转录调控。泛素-蛋白酶体与疾病 泛素体系酶突变导致功能丧失或目标底物 蛋白识别基序改变，而导致某种蛋白的稳 定变化。 目标蛋白功能不正常或加速降解

16、的结果。肿瘤发病机制中的作用 肿瘤可以起因于癌基因蛋白生长促进因子的稳 定或由于肿瘤抑癌基因的不稳定。 通过蛋白酶体降解的癌基因蛋白,如果不能及 时地从细胞中清除,就会诱导细胞恶变。神经系统疾病发病机制中的作用 Parkin是泛素和蛋白的E3连接酶，能与E2共同 作用； Parkin变性，影响某些蛋白降解，引起多巴胺类神经元的毒性损伤而引起帕金森病。二、自噬-溶酶体系统细胞内蛋白质另一个主要降解途径是自噬(autophagy)。 自噬是真核生物中高度保守的过程，可将细胞内过多或异常的细胞器和较为稳定的蛋白运输到溶酶体中降解。又称自噬-溶酶体系统。自噬系统和蛋白酶体系统1962年Ashford

17、TP、Porter KR发现细胞内self-eating现象，提出了自噬(autophagy)。自噬-溶酶体系统1980年Ciechanover A,Hershko A和Rose 发现了泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system,UPS）。获2004年诺贝尔化学奖。 以色列科学家 阿龙切哈诺沃 阿夫拉姆赫什科 美国科学家 欧文罗斯自噬的概念 概念：是细胞吞噬自身细胞质蛋白或细胞器并使其包被进入囊泡，并与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物的过程。 实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新。自噬的分类巨自噬（macroautophagy)：细胞器、蛋白质

18、被双层膜包裹形成自噬体，与溶酶体融合并降解内容物。微自噬(microautophagy)：溶酶体通过膜直接吞噬细胞质长寿命蛋白，并在溶酶体内降解。分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy)：只降解特定蛋白质，不能降解细胞器。胞质内蛋白结合到分子伴侣后被转运到溶酶体，被溶酶体酶消化。在清除蛋白质时有选择性，而前两者无明显的选择性。蛋白质经自噬降解的反应过程自噬的诱导激活自噬体的成核和延伸自噬体与溶酶体融合及内容物的降解自噬发生过程自噬激活成核和延伸自噬体溶酶体自噬溶酶体自噬的诱因细胞外（缺血、 缺氧、 营养及生长因子不足等）；细胞内（代谢压力、 衰老、 损伤的细胞器、 蛋白质折叠错误等）自噬的生物学意义 细胞内自噬通常维持在很低的水平，在应激条件下被诱导，对细胞具有一定的保护性，细胞通过自噬维持自身的稳定。 自噬体系和蛋白酶体系之间的相互联系不同的蛋白质降解途径相互依赖 自噬与UPS之间在功能上有重叠 错误折叠蛋白可被巨