蛋白质的翻译后修饰

前体蛋白质常无活性，须经一系列的翻译后加工，才能成为具有功能的成熟蛋白。翻译后修饰是指蛋白质在翻译后的化学修饰。对于大部分的蛋白质来说，这是蛋白质生物合成的较后步骤。加工的类型是多种多样的，一般分为：多肽链的有限水解，包括N－端fMet或Met的切除及肽链中肽键水解；氨基酸侧链化学修饰；二硫键形成等。这些翻译后修饰具有重要的意义，蛋白质的功能因此大大被改变。

（一）多肽链的有限水解

多肽链的有限水解是一种最常见的翻译后加工形式，绝大多数成熟的多肽链都要经过这种形式的加工。有许多参与机体不同生理过程的蛋白质，其初始形式都是不具有活性的前体，通过有限的蛋白水解作用去除某些肽段后，成为有活性的蛋白质分子或功能肽。

1．切除N－端的甲酰基或甲硫氨酸 原核细胞中约半数成熟蛋白质的N－端经脱甲酰基酶切除N－甲酰基而保留甲硫氨酸，另一部分被氨基肽酶（aminopeptidase）水解而去除N－甲酰甲硫氨酸。

真核细胞分泌性蛋白和跨膜蛋白前体的N－端都有一13～36个氨基酸残基（以疏水氨基酸残基为主）的肽段——信号肽（signal peptide），这些信号肽在蛋白质成熟过程中需要被切除。

2．肽链中肽键水解 有的多肽链经水解可以产生数种小分子活性肽。如垂体合成的促黑皮素原（pro－opiomelanocortin，POMC），它是一种大的多肽前体，经翻译后修饰，水解生成多种不同的肽类激素。促黑皮素原经水解可生成促肾上腺皮质激素（adrenocorticotropic hormone，ACTH）、β－促脂解素、α－促黑激素（melanocyte－stimulating hormone，MSH）、促皮质素样中叶肽（corticotropin－like intermediate peptide，CLIP）、γ－促脂解素、β－内啡肽、β－促黑激素、γ－内啡肽及α－内啡肽9种活性物质（图11－13）。上述激素并非全部同时产生，不同的细胞有不同的水解模式，从而产生不同的激素。

图11－13 促黑皮素原的水解修饰

（二）氨基酸残基侧链的化学修饰

对蛋白质结构的细节了解得越多，对蛋白质翻译后修饰的分类范围了解得也就越广。蛋白质修饰包括糖类、脂类、核酸、磷酸、硫酸、羧基、甲基、乙酰基、羟基等功能基团以共价键与蛋白质的连接。蛋白质经过修饰，在结合、催化、调节及物理性质等方面都被赋予了新的功能。蛋白质中常见的化学修饰见表11－5。

表11－5 体内常见的蛋白质翻译后的化学修饰

1．蛋白质糖基化 蛋白质糖基化（glycosylation）是在肽链生物合成的同时或合成后，在酶的催化下糖链被连接到肽链上的特定糖基化位点的过程。

糖链的合成与核酸、蛋白质不同，没有特定的模板，只是在糖基转移酶的作用下糖链不断延伸。糖链的合成是由糖基转移酶（glycosyltransferase）、糖苷酶（glycoside hydrolase）、糖基供体、糖基接受体这4类分子协调完成的，其中以糖基转移酶占主导地位。这些糖基转移酶是基因编码的产物，糖链的生物合成是糖基转移酶的直接作用结果，是基因的间接产物。

糖蛋白按照蛋白质与糖链连接方式可分为N－连接型糖蛋白和O－连接型糖蛋白。N－连接型糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn－X－Ser/Thr（Asn：天冬酰胺；Ser/Thr：丝/苏氨酸；X是除Pro以外的任意氨基酸）序列的天冬酰胺氮以共价键连接。N－连接型寡糖中Asn－X－Ser/Thr 3个氨基酸残基的序列子称为糖基化位点。O－连接型糖蛋白的糖链与蛋白部分的丝/苏氨酸或羟赖氨酸的羟基相连。

（1）N－连接型糖蛋白：糖蛋白中N－聚糖的合成是一个共翻译过程，即在粗面内质网的核糖体上合成糖蛋白的肽链时，一旦形成NXS/T序列，即有可能开始糖基化。N－聚糖可被位于网腔膜结构上的加工酶修剪加工成高甘露糖型，再进入高尔基体。N－连接寡糖是在内质网上以长萜醇作为糖链载体，先合成含14糖基寡糖链，然后转移至肽链的糖基化位点，进一步在内质网和高尔基复合体进行加工而成。N－聚糖加工是由高甘露糖型转化为杂合型再到两天线至四天线复杂型N－聚糖（图11－14）。

（2）O－连接型糖蛋白：糖基或糖链的还原端与蛋白质肽链中的丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）或羟赖氨酸（Hyl）羟基中的氧原子相连称为O－连接糖链。肽链中可以糖基化的主要是丝氨酸和苏氨酸，此外还有酪氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸等，连接位点是这些残链上的羟基氧原子，后者可与很多单糖生成糖苷键。其中以通过N－乙酰半乳糖胺（GalNAc）和丝氨酸或苏氨酸残基相连的O－糖链（O－GalNAc）分布最广，研究最多。

图11－14 N－聚糖的加工过程

O－GlcNAc糖基化修饰的蛋白质非常广泛，包括核孔蛋白、RNA聚合酶、转录因子、染色体蛋白等。这类新的糖蛋白有两大特点：一是与Ser/Thr侧链的羟基连接的只有单糖基的O－GlcNAc；二是这种糖基化修饰方式存在于细胞质和细胞核中。O－GlcNAc虽然简单，但生物学功能多样，其中肯定的是对某些细胞的生物学行为起到调节作用，而且这种糖基化是可逆的动态调节，可以与磷酸化发生置换。有研究成果提示，O－GlcNAc糖基化具有与蛋白质磷酸化相似的生物学意义。由于它们修饰同一蛋白质的相同或邻近丝氨酸和苏氨酸羟基，所以磷酸化和糖基化修饰可能存在着竞争性调节。

蛋白质糖基化是蛋白质翻译后的一种重要的加工过程。糖链的存在对肽链的折叠、糖蛋白的进一步成熟、亚基聚合、分拣、投送及糖蛋白的降解起着关键作用。

2．磷酸化 蛋白质磷酸化是蛋白质翻译后修饰的重要形式，在酶和其他重要功能分子活性的发挥、第二信使传递和酶的级联作用中起重要作用。蛋白质磷酸化是调节和控制蛋白质活性和功能的最基本、最普遍，也是最重要的机制。蛋白质磷酸化主要发生在两种氨基酸上：一种是丝氨酸（包括苏氨酸），另一种是酪氨酸。催化这两种磷酸化反应的酶不一样，功能也不一样；但有少数双功能酶可同时作用于这两类氨基酸，如促丝裂原活化蛋白激酶（mitogen－activated protein kinase kinase，MEK）。

蛋白质磷酸化对于许多生物现象的引发是很必要的，包括细胞生长、增殖、泛素介导的蛋白降解等过程。特别是酪氨酸磷酸化，作为细胞信号转导和酶活性调控的一种主要方式，通常通过引发蛋白质之间的相互作用进而介导信号通路。因此，酪氨酸磷酸化和多蛋白复合体的形成构成了细胞信号转导的基本机制，几乎所有的多肽细胞生长因子都是通过此途径来激活细胞，刺激细胞生长。然而，酪氨酸磷酸化在细胞的所有磷酸化修饰中所占比例非常低。与大量的细胞中丝氨酸和苏氨酸磷酸化水平相比，酪氨酸磷酸化的水平估计要低2 000倍。正是由于细胞中酪氨酸磷酸化的水平相当低，才能保证细胞在内外信号的刺激下作出灵敏的反应。因此，研究酪氨酸的磷酸化对于细胞信号的调控和许多重要生物现象的研究具有极为重要的意义。

蛋白质磷酸化与去磷酸化对细胞的调控发挥着重要作用，因此被生动形象地描述为细胞生理活动的分子开关（图11－15）。蛋白质在蛋白激酶作用下发生磷酸化，在磷酸酶催化下去磷酸化。当细胞中的蛋白激酶或磷酸酶的活性受到抑制或过表达，就会引起细胞内磷酸化水平的紊乱从而诱发疾病。如阿尔茨海默症（Alzheimer's disease，AD）是一种常见的老年性精神紊乱，是一种以记忆减退、认识障碍、人格改变为主要特征的神经退行性疾病。AD的特征性病理改变主要包括β－淀粉样蛋白（amyloidβ－protein，Aβ）沉积导致的老年斑、微管相关蛋白－Tau蛋白异常聚集形成纤维缠结及神经元缺失和胶质细胞增生。研究发现，AD患者脑中的Tau蛋白在病理条件下产生异常磷酸化修饰，每分子Tau蛋白含有5～9个磷酸基团，约是正常者的4～5倍。在AD患者脑中过度磷酸化的Tau蛋白还存在异常糖基化修饰。AD患者脑中Tau蛋白的异常翻译后修饰，最终导致神经元纤维缠结，从而丧失生物学功能。

图11－15 蛋白质的磷酸化与去磷酸化修饰

3．乙酰化 乙酰化是指将乙酰基转移到氨基酸侧链基团的氮、氧、碳原子上的过程。乙酰化修饰作为一种重要的翻译后修饰被广泛研究，但是以前的研究几乎都集中于组蛋白和核内蛋白质上，核外蛋白质的乙酰化研究进展很慢。近年来的研究发现了很多蛋白质均可以被乙酰化修饰。这些蛋白质几乎涵盖了细胞代谢循环中的所有代谢酶，包括糖酵解途径、糖异生途径、三羧酸循环、脂肪酸代谢通路、糖原代谢通路、尿素循环等。乙酰化的调控作用在生命体新陈代谢过程中普遍存在，从低等的原核细胞到包括人在内的高等哺乳动物，都存在乙酰化修饰现象。乙酰化普遍修饰代谢酶，并且可以调节代谢通路及代谢酶的活性。有望通过蛋白质乙酰化修饰的后续研究为代谢相关疾病的治疗提供潜在的药物靶点。

图11－16 蛋白质的乙酰化与去乙酰化修饰

4．甲基化 甲基化是指将活性甲基化合物（如S－腺苷基甲硫氨酸）的甲基催化转移到其他化合物的过程。蛋白质甲基化一般指蛋白质序列中精氨酸或赖氨酸被甲基化修饰。精氨酸可以被甲基化1～2次。赖氨酸经赖氨酸转移酶的催化可以甲基化1～3次。蛋白质甲基化是翻译后修饰的一种形式。最常见的甲基化修饰是组蛋白甲基化。组蛋白甲基化是指由组蛋白甲基转移酶催化，S－腺苷甲硫氨酸的甲基加在H3和H4组蛋白N－端Arg或Lys残基上。某些组蛋白残基通过甲基化可以抑制或激活基因表达，调节基因的表达和关闭。组蛋白甲基化的功能主要体现在异染色质形成、基因印记、X染色体失活和转录调控方面，与癌症、衰老、老年痴呆等许多疾病密切相关，是表观遗传学的重要研究内容之一。