生物大分子理論201年-碩士生課程-蛋白質(zhì)翻譯后修飾-課件

蛋白質(zhì)翻譯后修飾的生物學(xué)功能及其調(diào)控

提綱總論個論:

磷酸化\糖基化\組蛋白修飾三.研究方法進(jìn)展:蛋白組學(xué)蛋白質(zhì)翻譯后修飾

Post-translationalmodification(PTM)蛋白質(zhì)在翻譯后發(fā)生的化學(xué)修飾，即在蛋白質(zhì)的主鏈氨基酸上增加化學(xué)功能基團，從而改變蛋白質(zhì)的生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)特征。主要包括：乙?；?、烷基化、生物素化、糖基化、泛素化、類泛素化、磷酸化等，至少300種以上。真核生物蛋白質(zhì)功能的一種主要調(diào)節(jié)機制。特點及其意義蛋白質(zhì)翻譯后修飾是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)生物活性的重要方式

蛋白質(zhì)翻譯后修飾異常導(dǎo)致人類眾多的疾病

蛋白質(zhì)翻譯后修飾是蛋白質(zhì)組研究的一個重要內(nèi)容

1、蛋白質(zhì)翻譯后修飾是調(diào)節(jié)蛋白生物活性的重要方式編碼蛋白質(zhì)的20個氨基酸中至少15個可被進(jìn)一步的化學(xué)修飾特點：可逆、多樣和快速生物體調(diào)控蛋白質(zhì)在組織和細(xì)胞中定位、活性、壽命、功能和結(jié)構(gòu)多樣性的一個最重要的方式對細(xì)胞的生長和分化，個體的發(fā)育、成熟和老化維持著精細(xì)的和程序化的控制組蛋白的翻譯后修飾組蛋白的翻譯后修飾2、蛋白質(zhì)翻譯后修飾異常導(dǎo)致人類眾多疾病蛋白磷酸化與多種癌癥相關(guān)蛋白在過度的泛素化后而不能及時被降解，引起神經(jīng)細(xì)胞的退行性病變受體糖基化導(dǎo)致病毒對免疫細(xì)胞的侵犯異常的染色體組蛋白乙?；?、甲基化引起智力低下所以研究蛋白質(zhì)翻譯后的修飾將幫助我們了解人類疾病的分子基礎(chǔ)和設(shè)計相應(yīng)的防治方案3、翻譯后修飾是蛋白質(zhì)組研究的一個重要內(nèi)容蛋白質(zhì)翻譯后修飾是對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能和活性最快速和最普遍調(diào)控方式之一人類對這一復(fù)雜過程認(rèn)識有限，很多的蛋白質(zhì)修飾方式及其調(diào)節(jié)機制仍待發(fā)現(xiàn)所以蛋白質(zhì)翻譯后修飾研究是蛋白質(zhì)組研究的一個重要基礎(chǔ)生物學(xué)課題，有極其重要的理論意義國家重大科學(xué)研究計劃納米研究量子調(diào)控研究蛋白質(zhì)研究……

三、蛋白質(zhì)質(zhì)量控制、翻譯后修飾和動態(tài)相互作用研究……發(fā)育與生殖研究提綱總論個論:

磷酸化\糖基化\組蛋白修飾三.研究方法進(jìn)展:蛋白組學(xué)蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化

——概念、功能及其生物學(xué)意義什么是磷酸化和去磷酸化磷酸化反應(yīng)是泛指把磷酸基團通過酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)移到其他化合物的過程。蛋白質(zhì)的磷酸化則是指由蛋白激酶催化的把ATP或GTPγ位的磷酸基傳移到底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基上的過程，磷酸化的作用位點為蛋白上的Ser,Thr,Tyr殘基.其逆轉(zhuǎn)過程是由蛋白磷酸酶催化的，稱為蛋白質(zhì)的脫磷酸化。SerineThreonineTyrosine蛋白質(zhì)磷酸化的普遍性和重要性目前估計至少有30%的蛋白被磷酸化修飾，許多蛋白有多個可被磷酸化修飾的位點。人類基因組中約編碼500種蛋白激酶和相當(dāng)于1/3蛋白激酶數(shù)量的蛋白磷酸酶.可逆的磷酸化過程幾乎涉及所有的生理及病理過程,如細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、腫瘤發(fā)生、新陳代謝、神經(jīng)活動、肌肉收縮以及細(xì)胞的增殖、發(fā)育和分化等.Fischer和Krebs因其在蛋白質(zhì)可逆磷酸化作為一種生物調(diào)節(jié)機制方面的研究而獲得1992年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎.蛋白質(zhì)磷酸化的生物學(xué)意義：這種方式在胞內(nèi)介導(dǎo)胞外信號時具專一應(yīng)答的特點。第二信使磷酸化與脫磷酸化可以控制細(xì)胞內(nèi)已存在酶的“活性酶量”，使應(yīng)答反應(yīng)更有效。糖原磷酸化酶活性的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)磷酸化在信號傳遞中一個最重要的特點是對外界信號具有級聯(lián)放大作用。

蛋白質(zhì)磷酸化與脫磷酸化幾乎涉及所有的生理過程功能,具有多樣性。如細(xì)胞的分裂、分化等過程，雖然信號分子的壽命可以很短，但蛋白激酶一旦被激活，其活性卻可通過某些方式（如自身磷酸化作用）維持較長的時間。即simplicity,flexibilityandreversibility參與磷酸化和去磷酸化的酶蛋白激酶(Proteinkinase，PK)催化蛋白質(zhì)的含羥基氨基酸(絲／蘇和酪)的側(cè)鏈羥基形成磷酸酯。細(xì)胞內(nèi)任何一種蛋白質(zhì)的磷酸化狀態(tài)是由蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶的兩種相反酶活性之間的平衡決定的。蛋白質(zhì)磷酸酯酶(Proteinphosphatase，PPase)催化磷酸蛋白的磷酸酯鍵水解而去磷酸化。蛋白質(zhì)的磷酸化參與了哪些生理和病理過程可逆的磷酸化過程幾乎涉及所有的生理及病理過程,如細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞周期調(diào)控、腫瘤發(fā)生、新陳代謝、神經(jīng)活動、肌肉收縮以及細(xì)胞的增殖、發(fā)育和分化等.蛋白質(zhì)磷酸化的功能

——信號轉(zhuǎn)導(dǎo)控制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白活性的方式：通過配體調(diào)節(jié)-受體自身磷酸化：EGF-EGFR通過G蛋白調(diào)節(jié)GTP-GDP-cAMP-激活PKA，IP3-PKC通過可逆磷酸化調(diào)節(jié)EGFRsignaling激素通過第二信使DAG和IP3活化PKCMAPK家族酶的激活機制都通過磷酸化的三級酶促級聯(lián)反應(yīng)蛋白質(zhì)磷酸化的功能

——轉(zhuǎn)錄調(diào)控ProteinkinaseAandDNA結(jié)合蛋白MAPK信號通路介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控NF-κB信號通路膜系統(tǒng)-胞核間的信號傳導(dǎo)JAKsandSTATsCREB的轉(zhuǎn)錄激活ProteinkinaseAandDNA結(jié)合蛋白MAPK信號通路介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

MAPK信號通路介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

膜系統(tǒng)-胞核間的信號傳導(dǎo)JAKsandSTATsNF-kBpathwayNuclearfactorkB(NF-kB)是一種核轉(zhuǎn)錄因子，通過對大量下游基因表達(dá)的調(diào)節(jié)參與一系列廣泛的生理和病理過程比如凋亡、病毒顆粒復(fù)制、腫瘤發(fā)生、炎癥反應(yīng)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長因子、細(xì)胞因子、白介素、紫外線輻射、藥物刺激或者其他導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)的因素。靜息狀態(tài)下NF-kB與一些抑制分子如IkBa,IkBb,IkBg,IkBe等等相結(jié)合、使之被隔離在細(xì)胞漿中.外界刺激可導(dǎo)致IkB的磷酸化,繼而引發(fā)其泛素化降解。NF-kB的核定位信號暴露，引發(fā)核轉(zhuǎn)位。核內(nèi)的NF-kB通過結(jié)合其一致性序列繼而激活相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄.IkB蛋白可被IkB激酶復(fù)合物磷酸化包含至少三種蛋白質(zhì);IKK1/IKKa,IKK2/IKKb,和IKK3/IKKg.

蛋白質(zhì)磷酸化的功能

——細(xì)胞周期調(diào)控參與細(xì)胞周期調(diào)控的主要物質(zhì)細(xì)胞周期素（cyclin)

A、B、C、D、E

細(xì)胞周期蛋白依賴激酶（cyclin-dependent-kinase,Cdk）1、2、3、4、5細(xì)胞分化周期調(diào)控因子（celldivisioncyclecontrol,Cdc）轉(zhuǎn)錄因子E2FRB蛋白生長因子G1期誘導(dǎo)CyclinD表達(dá)Cdk2Cdk4Cdk5CyclinD-Cdk2-Cdk4-Cdk5(Cdk磷酸化)CyclinE表達(dá)CyclinE-Cdk2（Cdk2磷酸化）促使細(xì)胞通過G1/S進(jìn)入S期G1期誘導(dǎo)CyclinA表達(dá)S期誘導(dǎo)CyclinA-Cdk2（Cdk2活化）E2FDNA復(fù)制RB蛋白-PRB蛋白-E2F（E2F失活）cyclinD和E降解對G2檢測點的調(diào)控cyclinB表達(dá)CyclinB-Cdc2(Cdc2磷酸化）細(xì)胞進(jìn)入M期蛋白質(zhì)磷酸化的功能

——調(diào)節(jié)神經(jīng)突觸膜間運輸

腫瘤發(fā)生老年癡呆蛋白激酶、蛋白酶異常直接致病蛋白磷酸化異常與疾病的聯(lián)系表達(dá)產(chǎn)物為生長因子受體的癌基因癌基因染色體位置表達(dá)產(chǎn)物c-erbB-17pter-7q22TPK,EGF受體erbB-2(neu)17q21TPK,EGF受體c-ros

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

7q21-31

TPK,EGF受體c-fms5q33-34TPK,CSF-1受體c-kit4q11-13TPK,CSF-1受體生長因子（膜）受體結(jié)構(gòu)的特點

膜外區(qū)生長因子特異結(jié)合部位跨膜區(qū)胞內(nèi)區(qū)具有TPK活性生長因子（膜）受體作用機理生長因子與膜受體胞外結(jié)構(gòu)域特異結(jié)合受體二聚化受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域顯現(xiàn)TPK活性特定蛋白的酪氨酸殘基磷酸化生物效應(yīng)胞外區(qū)區(qū)合結(jié)構(gòu)域跨膜結(jié)構(gòu)域細(xì)胞內(nèi)TPK結(jié)構(gòu)域erbB原癌基因產(chǎn)物erbB癌基因產(chǎn)物erbB原癌基因與癌基因蛋白產(chǎn)物比較v-erbB蛋白由于缺少了配基結(jié)合域，無需與EGF結(jié)合就可形成二聚體，表現(xiàn)為EGF受體酪氨酸蛋白激酶的持續(xù)活性，刺激細(xì)胞的增值。老年癡呆癥(Alzheimer’sDisease)與TAU蛋白磷酸化異常的關(guān)系

阿爾茨海默氏?。ˋD）是一種由于大腦的神經(jīng)細(xì)胞死亡而造成的神經(jīng)性疾病。AD的發(fā)生是典型的漸進(jìn)過程，其最初癥狀可能會被認(rèn)為是年邁或普通的健忘。隨著病情的發(fā)展，認(rèn)知能力，包括決策能力和日常活動能力，將逐漸喪失，同時可能出現(xiàn)性情改變以及行為困難的情況。在晚期，AD會導(dǎo)致失智并最終導(dǎo)致死亡。全美國約有四百萬人被診斷為患有AD。阿爾茨海默氏病最常發(fā)生在65歲以上的人身上；但是，更年輕的人士也可能患此病。當(dāng)年齡超過65歲后，失智癥患者的人數(shù)迅速增加。2019年，患有中度或重度記憶損傷的人數(shù)在65至69歲人群中為4%，而在85歲以上的老年人中，該比例則為36%。在導(dǎo)致65歲以上老人死亡的原因中，AD位居第九。老年癡呆癥(Alzheimer’sDisease)與TAU蛋白磷酸化異常的關(guān)系TAU是一種存在于成人神經(jīng)細(xì)胞的一種微管結(jié)合蛋白(MAP),對于刺激微管組裝和穩(wěn)定微管結(jié)構(gòu)起到重要作用.TAU主要受磷酸化和O-糖基化修飾以調(diào)節(jié)其活性.TAU的磷酸化水平受到多種蛋白激酶和蛋白磷酸酶的調(diào)節(jié).在老年癡呆和其它TAU異常導(dǎo)致的相關(guān)疾病中,各種因素(遺傳因素、代謝異常等）導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路異常，磷酸化－去磷酸化之間的動態(tài)平衡被打破，即大腦中某些的磷酸酶如PP2A蛋白水平下調(diào)，繼而導(dǎo)致TAU蛋白磷酸化水平升高，稱為TAU的超磷酸化（hyperphosphorylation）；大腦葡萄糖攝取和代謝異常亦可導(dǎo)致TAU蛋白O－糖基化下調(diào)，進(jìn)而引起TAU的超磷酸化狀態(tài)。TAU的超磷酸化不但喪失了某些正常功能如促進(jìn)微管系統(tǒng)組裝，還可競爭性抑制正常的TAU蛋白和其它微管結(jié)合蛋白如MAP1和MAP2，導(dǎo)致微管解聚增加，微管系統(tǒng)的解聚直接影響神經(jīng)的軸突運輸，導(dǎo)致神經(jīng)的退行性改變，引起神經(jīng)元死亡和癡呆。Thestabilizationofmicrotubulesbytauproteinandtheeffectsofhyperphosphorylation,asinAlzheimer'sdisease.蛋白激酶或磷酸酶突變導(dǎo)致的疾病強直性肌營養(yǎng)不良（myotonicmusculardystrophy）組蛋白質(zhì)的修飾

——概念、功能及其生物學(xué)意義二、組蛋白修飾組蛋白密碼組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histonecode）。組蛋白通過乙酰化、甲基化和磷酸化等共價修飾，使染色質(zhì)處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)或非轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)，為其他蛋白與DNA的結(jié)合產(chǎn)生協(xié)同或拮抗效應(yīng)，屬于一種動態(tài)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控成分。組蛋白密碼是遺傳密碼的表觀遺傳學(xué)延伸，決定了基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。組蛋白修飾種類乙?；?-組蛋白乙酰化能選擇性的使某些染色質(zhì)區(qū)域的結(jié)構(gòu)從緊密變得松散，開放某些基因的轉(zhuǎn)錄，增強其表達(dá)水平。甲基化--發(fā)生在H3、H4的Lys和Arg殘基上，可以與基因抑制有關(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，這往往取決于被修飾的位置和程度。磷酸化--發(fā)生在Ser殘基，一般與有絲分裂和凋亡相關(guān)。泛素化--特定組蛋白羧基端通過泛素化同樣影響蛋白質(zhì)的降解過程，從而也可調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。

組蛋白去乙酰化酶：

histonedeacetylases,HDACs組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶：

histoneacetyltransferase,HAT組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶：histonemethyltransferase賴氨酸殘基上的甲基化存在單甲基、雙甲基和三甲基3種狀態(tài)H3-K9轉(zhuǎn)錄抑制；H3-K4轉(zhuǎn)錄活化四、不同表觀遺傳修飾之間的聯(lián)系相關(guān)性現(xiàn)象，機制不清楚。H3-K9的甲基化導(dǎo)致中心粒周圍異染色質(zhì)DNA的甲基化。組蛋白去乙?；福℉DACs）、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(HMT)和組蛋白乙酰化轉(zhuǎn)移酶（HAT)導(dǎo)致了DNA甲基化酶(DNMT)的重新聚集。在α地中海貧血癥中，RNA相關(guān)沉默是導(dǎo)致組蛋白修飾、DNA甲基化的直接原因。

蛋白質(zhì)的糖基化

——概念、功能及其生物學(xué)意義糖鏈的重要性蛋白糖基化修飾的三種類型蛋白聚糖N-糖鏈O-糖鏈NatureMethods2019,2:817-824糖化學(xué)與糖生物學(xué)是科學(xué)前沿Nature2019,Vol267篇論文綜述糖化學(xué)糖生物學(xué)研究進(jìn)展Science

2019,Vol29113篇論文涉及糖的研究化學(xué)糖生物學(xué)糖組學(xué)糖芯片糖工程糖生物學(xué)糖藥物Science2019,Vol291;Nature2019,Vol26

基因mRNA蛋白質(zhì)糖復(fù)合物

糖鏈功能多樣性結(jié)構(gòu)多樣性糖基轉(zhuǎn)移酶糖苷酶輔酶糖核苷合成酶糖核苷轉(zhuǎn)運體其他功能蛋白糖蛋白蛋白聚糖寡糖、多糖糖識別分子

脂類分子細(xì)胞膜分子間相互作用細(xì)胞細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)異常異常正常正常腫瘤感染、炎癥免疫性疾病代謝性疾病……神經(jīng)免疫循環(huán)生殖……機體功能發(fā)生分化個體糖鏈的重要地位發(fā)達(dá)國家對糖科學(xué)的高度重視美國：NIH:ConsortiumForFunctionalGlycomics美國功能糖組學(xué)研究聯(lián)盟（2019-2019）CCRC:ComplexCarbohydrateResearchCenterNIH/NIC單獨投資（2019-2019，1500萬美元）糖腫瘤標(biāo)志物的開發(fā)CancerBiomarker歐洲:NewGlycoGlob新糖組學(xué)糖鏈生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫日本的糖生物學(xué)研究概況090705060804030201980010糖鏈功能活用技術(shù)（10億日元/年

~2019年)糖鏈結(jié)構(gòu)分析技術(shù)（30億日元）

糖基因庫的構(gòu)建（25億日元）年功能糖生物學(xué)(100億日元）通產(chǎn)省文部省日本在糖科學(xué)領(lǐng)域欲搶占制高點蛋白質(zhì)經(jīng)糖鏈修飾引起生物功能多樣性蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的糖鏈修飾生物功能多樣性修飾蛋白質(zhì)的糖鏈異常正常

腫瘤、感染、炎癥免疫性疾病、代謝性疾病……神經(jīng)、免疫、循環(huán)、生殖、消化……糖鏈介導(dǎo)的細(xì)胞間相互作用

GeneralPrinciples:lock-and-keyornon-specificSialicacid糖鏈介導(dǎo)相互作用粘液素（mucin）和炎癥、腫瘤糖蛋白糖鏈與免疫直接相關(guān)糖蛋白