生物大分子理论201年-硕士生课程-蛋白质翻译后修饰-课件

蛋白质翻译后修饰的生物学功能及其调控

提纲总论个论:

磷酸化\糖基化\组蛋白修饰三.研究方法进展:蛋白组学蛋白质翻译后修饰

Post-translationalmodification(PTM)蛋白质在翻译后发生的化学修饰，即在蛋白质的主链氨基酸上增加化学功能基团，从而改变蛋白质的生物化学和结构特征。主要包括：乙酰化、烷基化、生物素化、糖基化、泛素化、类泛素化、磷酸化等，至少300种以上。真核生物蛋白质功能的一种主要调节机制。特点及其意义蛋白质翻译后修饰是调节蛋白质生物活性的重要方式

蛋白质翻译后修饰异常导致人类众多的疾病

蛋白质翻译后修饰是蛋白质组研究的一个重要内容

1、蛋白质翻译后修饰是调节蛋白生物活性的重要方式编码蛋白质的20个氨基酸中至少15个可被进一步的化学修饰特点：可逆、多样和快速生物体调控蛋白质在组织和细胞中定位、活性、寿命、功能和结构多样性的一个最重要的方式对细胞的生长和分化，个体的发育、成熟和老化维持着精细的和程序化的控制组蛋白的翻译后修饰组蛋白的翻译后修饰2、蛋白质翻译后修饰异常导致人类众多疾病蛋白磷酸化与多种癌症相关蛋白在过度的泛素化后而不能及时被降解，引起神经细胞的退行性病变受体糖基化导致病毒对免疫细胞的侵犯异常的染色体组蛋白乙酰化、甲基化引起智力低下所以研究蛋白质翻译后的修饰将帮助我们了解人类疾病的分子基础和设计相应的防治方案3、翻译后修饰是蛋白质组研究的一个重要内容蛋白质翻译后修饰是对蛋白质结构、功能和活性最快速和最普遍调控方式之一人类对这一复杂过程认识有限，很多的蛋白质修饰方式及其调节机制仍待发现所以蛋白质翻译后修饰研究是蛋白质组研究的一个重要基础生物学课题，有极其重要的理论意义国家重大科学研究计划纳米研究量子调控研究蛋白质研究……

三、蛋白质质量控制、翻译后修饰和动态相互作用研究……发育与生殖研究提纲总论个论:

磷酸化\糖基化\组蛋白修饰三.研究方法进展:蛋白组学蛋白质的磷酸化和去磷酸化

——概念、功能及其生物学意义什么是磷酸化和去磷酸化磷酸化反应是泛指把磷酸基团通过酶促反应转移到其他化合物的过程。蛋白质的磷酸化则是指由蛋白激酶催化的把ATP或GTPγ位的磷酸基传移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，磷酸化的作用位点为蛋白上的Ser,Thr,Tyr残基.其逆转过程是由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质的脱磷酸化。SerineThreonineTyrosine蛋白质磷酸化的普遍性和重要性目前估计至少有30%的蛋白被磷酸化修饰，许多蛋白有多个可被磷酸化修饰的位点。人类基因组中约编码500种蛋白激酶和相当于1/3蛋白激酶数量的蛋白磷酸酶.可逆的磷酸化过程几乎涉及所有的生理及病理过程,如细胞信号转导、肿瘤发生、新陈代谢、神经活动、肌肉收缩以及细胞的增殖、发育和分化等.Fischer和Krebs因其在蛋白质可逆磷酸化作为一种生物调节机制方面的研究而获得1992年诺贝尔生理学及医学奖.蛋白质磷酸化的生物学意义：这种方式在胞内介导胞外信号时具专一应答的特点。第二信使磷酸化与脱磷酸化可以控制细胞内已存在酶的“活性酶量”，使应答反应更有效。糖原磷酸化酶活性的调节蛋白质磷酸化在信号传递中一个最重要的特点是对外界信号具有级联放大作用。

蛋白质磷酸化与脱磷酸化几乎涉及所有的生理过程功能,具有多样性。如细胞的分裂、分化等过程，虽然信号分子的寿命可以很短，但蛋白激酶一旦被激活，其活性却可通过某些方式（如自身磷酸化作用）维持较长的时间。即simplicity,flexibilityandreversibility参与磷酸化和去磷酸化的酶蛋白激酶(Proteinkinase，PK)催化蛋白质的含羟基氨基酸(丝／苏和酪)的侧链羟基形成磷酸酯。细胞内任何一种蛋白质的磷酸化状态是由蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶的两种相反酶活性之间的平衡决定的。蛋白质磷酸酯酶(Proteinphosphatase，PPase)催化磷酸蛋白的磷酸酯键水解而去磷酸化。蛋白质的磷酸化参与了哪些生理和病理过程可逆的磷酸化过程几乎涉及所有的生理及病理过程,如细胞信号转导、细胞周期调控、肿瘤发生、新陈代谢、神经活动、肌肉收缩以及细胞的增殖、发育和分化等.蛋白质磷酸化的功能

——信号转导控制信号转导蛋白活性的方式：通过配体调节-受体自身磷酸化：EGF-EGFR通过G蛋白调节GTP-GDP-cAMP-激活PKA，IP3-PKC通过可逆磷酸化调节EGFRsignaling激素通过第二信使DAG和IP3活化PKCMAPK家族酶的激活机制都通过磷酸化的三级酶促级联反应蛋白质磷酸化的功能

——转录调控ProteinkinaseAandDNA结合蛋白MAPK信号通路介导的转录调控NF-κB信号通路膜系统-胞核间的信号传导JAKsandSTATsCREB的转录激活ProteinkinaseAandDNA结合蛋白MAPK信号通路介导的转录调控

MAPK信号通路介导的转录调控

膜系统-胞核间的信号传导JAKsandSTATsNF-kBpathwayNuclearfactorkB(NF-kB)是一种核转录因子，通过对大量下游基因表达的调节参与一系列广泛的生理和病理过程比如凋亡、病毒颗粒复制、肿瘤发生、炎症反应以及自身免疫疾病等等。NF-kB可被一系列外界刺激激活如生长因子、细胞因子、白介素、紫外线辐射、药物刺激或者其他导致细胞产生应激反应的因素。静息状态下NF-kB与一些抑制分子如IkBa,IkBb,IkBg,IkBe等等相结合、使之被隔离在细胞浆中.外界刺激可导致IkB的磷酸化,继而引发其泛素化降解。NF-kB的核定位信号暴露，引发核转位。核内的NF-kB通过结合其一致性序列继而激活相关靶基因的转录.IkB蛋白可被IkB激酶复合物磷酸化包含至少三种蛋白质;IKK1/IKKa,IKK2/IKKb,和IKK3/IKKg.

蛋白质磷酸化的功能

——细胞周期调控参与细胞周期调控的主要物质细胞周期素（cyclin)

A、B、C、D、E

细胞周期蛋白依赖激酶（cyclin-dependent-kinase,Cdk）1、2、3、4、5细胞分化周期调控因子（celldivisioncyclecontrol,Cdc）转录因子E2FRB蛋白生长因子G1期诱导CyclinD表达Cdk2Cdk4Cdk5CyclinD-Cdk2-Cdk4-Cdk5(Cdk磷酸化)CyclinE表达CyclinE-Cdk2（Cdk2磷酸化）促使细胞通过G1/S进入S期G1期诱导CyclinA表达S期诱导CyclinA-Cdk2（Cdk2活化）E2FDNA复制RB蛋白-PRB蛋白-E2F（E2F失活）cyclinD和E降解对G2检测点的调控cyclinB表达CyclinB-Cdc2(Cdc2磷酸化）细胞进入M期蛋白质磷酸化的功能

——调节神经突触膜间运输

肿瘤发生老年痴呆蛋白激酶、蛋白酶异常直接致病蛋白磷酸化异常与疾病的联系表达产物为生长因子受体的癌基因癌基因染色体位置表达产物c-erbB-17pter-7q22TPK,EGF受体erbB-2(neu)17q21TPK,EGF受体c-ros

6q22TPK,EGF受体c-trk(oncD)1q25-31TPK,EGF受体c-met

7q21-31

TPK,EGF受体c-fms5q33-34TPK,CSF-1受体c-kit4q11-13TPK,CSF-1受体生长因子（膜）受体结构的特点

膜外区生长因子特异结合部位跨膜区胞内区具有TPK活性生长因子（膜）受体作用机理生长因子与膜受体胞外结构域特异结合受体二聚化受体胞内结构域显现TPK活性特定蛋白的酪氨酸残基磷酸化生物效应胞外区区合结构域跨膜结构域细胞内TPK结构域erbB原癌基因产物erbB癌基因产物erbB原癌基因与癌基因蛋白产物比较v-erbB蛋白由于缺少了配基结合域，无需与EGF结合就可形成二聚体，表现为EGF受体酪氨酸蛋白激酶的持续活性，刺激细胞的增值。老年痴呆症(Alzheimer’sDisease)与TAU蛋白磷酸化异常的关系

阿尔茨海默氏病（AD）是一种由于大脑的神经细胞死亡而造成的神经性疾病。AD的发生是典型的渐进过程，其最初症状可能会被认为是年迈或普通的健忘。随着病情的发展，认知能力，包括决策能力和日常活动能力，将逐渐丧失，同时可能出现性情改变以及行为困难的情况。在晚期，AD会导致失智并最终导致死亡。全美国约有四百万人被诊断为患有AD。阿尔茨海默氏病最常发生在65岁以上的人身上；但是，更年轻的人士也可能患此病。当年龄超过65岁后，失智症患者的人数迅速增加。2019年，患有中度或重度记忆损伤的人数在65至69岁人群中为4%，而在85岁以上的老年人中，该比例则为36%。在导致65岁以上老人死亡的原因中，AD位居第九。老年痴呆症(Alzheimer’sDisease)与TAU蛋白磷酸化异常的关系TAU是一种存在于成人神经细胞的一种微管结合蛋白(MAP),对于刺激微管组装和稳定微管结构起到重要作用.TAU主要受磷酸化和O-糖基化修饰以调节其活性.TAU的磷酸化水平受到多种蛋白激酶和蛋白磷酸酶的调节.在老年痴呆和其它TAU异常导致的相关疾病中,各种因素(遗传因素、代谢异常等）导致细胞内信号传导通路异常，磷酸化－去磷酸化之间的动态平衡被打破，即大脑中某些的磷酸酶如PP2A蛋白水平下调，继而导致TAU蛋白磷酸化水平升高，称为TAU的超磷酸化（hyperphosphorylation）；大脑葡萄糖摄取和代谢异常亦可导致TAU蛋白O－糖基化下调，进而引起TAU的超磷酸化状态。TAU的超磷酸化不但丧失了某些正常功能如促进微管系统组装，还可竞争性抑制正常的TAU蛋白和其它微管结合蛋白如MAP1和MAP2，导致微管解聚增加，微管系统的解聚直接影响神经的轴突运输，导致神经的退行性改变，引起神经元死亡和痴呆。Thestabilizationofmicrotubulesbytauproteinandtheeffectsofhyperphosphorylation,asinAlzheimer'sdisease.蛋白激酶或磷酸酶突变导致的疾病强直性肌营养不良（myotonicmusculardystrophy）组蛋白质的修饰

——概念、功能及其生物学意义二、组蛋白修饰组蛋白密码组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histonecode）。组蛋白通过乙酰化、甲基化和磷酸化等共价修饰，使染色质处于转录活性状态或非转录活性状态，为其他蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗效应，属于一种动态的转录调控成分。组蛋白密码是遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。组蛋白修饰种类乙酰化--组蛋白乙酰化能选择性的使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，开放某些基因的转录，增强其表达水平。甲基化--发生在H3、H4的Lys和Arg残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。磷酸化--发生在Ser残基，一般与有丝分裂和凋亡相关。泛素化--特定组蛋白羧基端通过泛素化同样影响蛋白质的降解过程，从而也可调节基因的表达。

组蛋白去乙酰化酶：

histonedeacetylases,HDACs组蛋白乙酰化转移酶：

histoneacetyltransferase,HAT组蛋白甲基转移酶：histonemethyltransferase赖氨酸残基上的甲基化存在单甲基、双甲基和三甲基3种状态H3-K9转录抑制；H3-K4转录活化四、不同表观遗传修饰之间的联系相关性现象，机制不清楚。H3-K9的甲基化导致中心粒周围异染色质DNA的甲基化。组蛋白去乙酰化酶（HDACs）、组蛋白甲基转移酶(HMT)和组蛋白乙酰化转移酶（HAT)导致了DNA甲基化酶(DNMT)的重新聚集。在α地中海贫血症中，RNA相关沉默是导致组蛋白修饰、DNA甲基化的直接原因。

蛋白质的糖基化

——概念、功能及其生物学意义糖链的重要性蛋白糖基化修饰的三种类型蛋白聚糖N-糖链O-糖链NatureMethods2019,2:817-824糖化学与糖生物学是科学前沿Nature2019,Vol267篇论文综述糖化学糖生物学研究进展Science

2019,Vol29113篇论文涉及糖的研究化学糖生物学糖组学糖芯片糖工程糖生物学糖药物Science2019,Vol291;Nature2019,Vol26

基因mRNA蛋白质糖复合物

糖链功能多样性结构多样性糖基转移酶糖苷酶辅酶糖核苷合成酶糖核苷转运体其他功能蛋白糖蛋白蛋白聚糖寡糖、多糖糖识别分子

脂类分子细胞膜分子间相互作用细胞细胞细胞外基质异常异常正常正常肿瘤感染、炎症免疫性疾病代谢性疾病……神经免疫循环生殖……机体功能发生分化个体糖链的重要地位发达国家对糖科学的高度重视美国：NIH:ConsortiumForFunctionalGlycomics美国功能糖组学研究联盟（2019-2019）CCRC:ComplexCarbohydrateResearchCenterNIH/NIC单独投资（2019-2019，1500万美元）糖肿瘤标志物的开发CancerBiomarker欧洲:NewGlycoGlob新糖组学糖链生物信息学数据库日本的糖生物学研究概况090705060804030201980010糖链功能活用技术（10亿日元/年

~2019年)糖链结构分析技术（30亿日元）

糖基因库的构建（25亿日元）年功能糖生物学(100亿日元）通产省文部省日本在糖科学领域欲抢占制高点蛋白质经糖链修饰引起生物功能多样性蛋白质蛋白质的糖链修饰生物功能多样性修饰蛋白质的糖链异常正常

肿瘤、感染、炎症免疫性疾病、代谢性疾病……神经、免疫、循环、生殖、消化……糖链介导的细胞间相互作用

GeneralPrinciples:lock-and-keyornon-specificSialicacid糖链介导相互作用粘液素（mucin）和炎症、肿瘤糖蛋白糖链与免疫直接相关糖蛋白