蛋白质共价修饰.

1、高级生物化学高级生物化学 2011第第5章章 蛋白质的共价修饰蛋白质的共价修饰 主讲主讲 王保莉王保莉 第第5章章 蛋白质的共价修饰蛋白质的共价修饰 Protein Covalent Modification 5.1 蛋白质的共价修饰蛋白质的共价修饰5.2 蛋白质的可逆磷酸化作用蛋白质的可逆磷酸化作用5.3 蛋白激酶蛋白激酶5.4 蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶5.5 蛋白质可逆磷酸化的生物学意义蛋白质可逆磷酸化的生物学意义高级生物化学高级生物化学2011 蛋白质的翻译后修饰，通常是蛋白质在核糖体由蛋白质的翻译后修饰，通常是蛋白质在核糖体由RNA翻译出来之后，受到特定的信号的刺激才发生。翻译出来之后，受

2、到特定的信号的刺激才发生。 共价修饰分为两大类，一类是将小分子、或者小的共价修饰分为两大类，一类是将小分子、或者小的蛋白质通过共价键与蛋白质特定的氨基酸残基结合，蛋白质通过共价键与蛋白质特定的氨基酸残基结合，另一类是蛋白质主链可以被特定的酶在特定的位置另一类是蛋白质主链可以被特定的酶在特定的位置切断，比如切断，比如MHC复合物识别的短肽段，就需要先复合物识别的短肽段，就需要先利用蛋白酶体将外源的蛋白质切成短肽。利用蛋白酶体将外源的蛋白质切成短肽。 蛋白质的共价修饰已经发了四个诺贝尔奖，第一个蛋白质的共价修饰已经发了四个诺贝尔奖，第一个是是1992年发给磷酸化的发现，第二个是年发给磷酸化的发现，

3、第二个是2001年年CDK/Cyclin介导的磷酸化在细胞周期的功能，第三介导的磷酸化在细胞周期的功能，第三个是泛素化调控蛋白质降解个是泛素化调控蛋白质降解(化学奖化学奖)，第四个是，第四个是2002年年Caspase介导的蛋白质切割和细胞凋亡。介导的蛋白质切割和细胞凋亡。 引引 言言 新生多肽链离开核糖体很少是有功能的，多数都新生多肽链离开核糖体很少是有功能的，多数都必须经过翻译后修饰才会转变为成熟的蛋白质。必须经过翻译后修饰才会转变为成熟的蛋白质。 原核细胞和真核细胞的蛋白质合成分别以甲酰蛋氨酸原核细胞和真核细胞的蛋白质合成分别以甲酰蛋氨酸（fMet）和甲硫氨酸（）和甲硫氨酸（Met）起始

4、，而成熟蛋白质）起始，而成熟蛋白质N-端没端没有有fMet，很少为，很少为Met，因为在肽链合成尚未完成时，因为在肽链合成尚未完成时N-端已端已被去甲酰基酶和氨肽酶修饰过。被去甲酰基酶和氨肽酶修饰过。 分泌蛋白和膜蛋白以及线粒体和叶绿体蛋白均以前体形式分泌蛋白和膜蛋白以及线粒体和叶绿体蛋白均以前体形式合成，合成，N-端的信号序列在分拣运输中已被切除。端的信号序列在分拣运输中已被切除。 许多蛋白质要分别经过甲基化、羟基化、糖基化、羧基化、许多蛋白质要分别经过甲基化、羟基化、糖基化、羧基化、磷酸化、乙酰化、脂酰化和异戊烯基化等共价修饰。磷酸化、乙酰化、脂酰化和异戊烯基化等共价修饰。 本章将本章将重

5、点介绍蛋白质可逆磷酸化作用重点介绍蛋白质可逆磷酸化作用。新合成多肽链加工新合成多肽链加工 原核生物和真核生物的一些新生蛋白质都需要经原核生物和真核生物的一些新生蛋白质都需要经过翻译后修饰的一次或多次加工反应才最终获得过翻译后修饰的一次或多次加工反应才最终获得具有生物活性的构象。具有生物活性的构象。 包括：氨基末端和羧基末端的修饰包括：氨基末端和羧基末端的修饰 信号序列的切除信号序列的切除 个别氨基酸的修饰个别氨基酸的修饰 糖类侧链的连接糖类侧链的连接 异戊二烯基团的添加异戊二烯基团的添加 辅基的加入辅基的加入 蛋白酶的加工蛋白酶的加工 二硫键的形成二硫键的形成个别氨基酸的修饰个别氨基酸的修饰-

6、羧基谷氨酸 三甲基赖氨酸 甲基谷氨酸糖蛋白中常见的糖糖蛋白中常见的糖-肽连接键肽连接键 以以GalNAc和和GlcNAc为例为例 GalNAc：乙酰：乙酰氨基半乳糖氨基半乳糖 GlcNAc：乙酰：乙酰氨基葡萄糖氨基葡萄糖 辅基的加入辅基的加入 共价连接的辅基是许多原核和真核蛋白质发共价连接的辅基是许多原核和真核蛋白质发挥活性所必需的。挥活性所必需的。 乙酰乙酰CoA羧化酶的羧化酶的生物素生物素和细胞色素和细胞色素c中的中的血红素血红素基团。基团。 乙酰辅酶乙酰辅酶A羧化酶羧化酶(acetyl-CoA catboxylase) 催化催化: 乙酰乙酰CoAATPHCO3-丙二酰丙二酰CoA+ADP

7、Pi 生物素酶。生物素酶。 FIGURE The acetyl-CoA carboxylase reaction. Acetyl-CoA carboxylase has three functional regions: biotin carrier protein (gray); biotin carboxylase, which activates CO2 by attaching it to a nitrogen in the biotin ring in an ATP-dependent reaction ; and transcarboxylase, which transfers

8、activated CO2 (shaded green) from biotin to acetyl-CoA, producing malonyl-CoA. The long, flexible biotin arm carries the activated CO2 from the biotin carboxylase region to the transcarboxylase active site, as shown in the diagrams below the reaction arrows. The active enzyme in each step is shaded

9、blue.蛋白酶的加工蛋白酶的加工 许多蛋白质的初始合成产物很大，这种无许多蛋白质的初始合成产物很大，这种无活性的蛋白质前体经蛋白酶的作用，产生活性的蛋白质前体经蛋白酶的作用，产生较小的有活性的蛋白质。较小的有活性的蛋白质。 例如：胰岛素、一些病毒蛋白质、胰蛋白例如：胰岛素、一些病毒蛋白质、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶酶和胰凝乳蛋白酶蛋白酶切的酶原激活蛋白酶切的酶原激活胰凝乳蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶肠肽酶肠肽酶5.1 蛋白质的共价修饰蛋白质的共价修饰 5.1.1 蛋白质前体的加工性部分水解蛋白质前体的加工性部分水解5.1.2 氨基酸残基的修饰氨基酸残基的修饰5.1.3 蛋白质与脂类共价结合

10、蛋白质与脂类共价结合5.1.4 泛素化及泛素样修饰泛素化及泛素样修饰5.1.5 组蛋白的共价修饰组蛋白的共价修饰5.1.1 蛋白质前体的加工性部分水解蛋白质前体的加工性部分水解 酶原的激活、前体在分拣运输中发生裂解切去酶原的激活、前体在分拣运输中发生裂解切去N-端端的信号序列。的信号序列。 动物细胞内有多种加工性蛋白酶，如动物细胞内有多种加工性蛋白酶，如弗林蛋白酶弗林蛋白酶（furin）和和前激素转换酶前激素转换酶PC1、PC2、PC3，能识，能识别前体分子中的别前体分子中的双碱性双碱性序列序列-RR-、-KR、-KK-等，等，从其羧基一侧切断肽链。从其羧基一侧切断肽链。 furin负责细胞中

11、负责细胞中组成型组成型表达的蛋白前体加工表达的蛋白前体加工 PC1、PC2、PC3负责受调控的负责受调控的激素前体激素前体的切割加的切割加工。工。 前体蛋白转化酶前体蛋白转化酶(proprotein convertases,PC)：切割前体蛋白，促进前体蛋白获得生物活性的一类切割前体蛋白，促进前体蛋白获得生物活性的一类同源蛋白。同源蛋白。1. Furin 蛋白酶（结构特点和特性）蛋白酶（结构特点和特性） 1989年发现，由年发现，由794个氨基酸组成的个氨基酸组成的I 型跨膜蛋白型跨膜蛋白。 一种广泛存在的类似枯草杆菌蛋白酶的蛋白质前一种广泛存在的类似枯草杆菌蛋白酶的蛋白质前体转化酶。体转化酶

12、。 分泌途径分泌途径的主要加工酶，定位于高尔基体反面的的主要加工酶，定位于高尔基体反面的网状结构部位。网状结构部位。 底物包括底物包括：凝血因子、血清蛋白和生长因子受体：凝血因子、血清蛋白和生长因子受体（如：（如：IGF受体）。受体）。 最短的切割识别位点：最短的切割识别位点：Arg-X-X-Arg。倾向作用。倾向作用于于 Arg-X-(Lys/Arg)-Arg位点。位点。 Furin 活性受活性受 EGTA、1-抗胰蛋白酶硅酸盐和聚抗胰蛋白酶硅酸盐和聚精氨酸化合物抑制。精氨酸化合物抑制。I I 型跨膜蛋白：一次跨膜，多肽链的型跨膜蛋白：一次跨膜，多肽链的N N端在胞膜外，端在胞膜外，C C端

13、在胞内。端在胞内。 2. 胰岛素（胰岛素（insulin) 胰岛素在胰岛素在细胞中以细胞中以前胰岛素原前胰岛素原的形式合成，的形式合成，进入进入ER-Golgi系统中先切去系统中先切去N-端的信号肽，端的信号肽，重排二硫键，形成正确折叠的重排二硫键，形成正确折叠的胰岛素原胰岛素原。 在分泌小泡中由在分泌小泡中由PC2和和PC3切去中间的切去中间的C肽，肽，产生的产生的A链与链与B链由两个链由两个二硫键相连，再切去二硫键相连，再切去B链链C-端两个精氨酸，成为成熟的端两个精氨酸，成为成熟的胰岛素。胰岛素。 C肽含有指导胰岛素原正确折叠的信息肽含有指导胰岛素原正确折叠的信息 PC2和和PC3的加工

14、可能与调控胰岛素分泌有关。的加工可能与调控胰岛素分泌有关。In beta cells, insulin is synthesized from the proinsulin precursor molecule by the action of proteolytic enzymes, known as prohormone convertases (PC1 and PC2), as well as the exoprotease carboxypeptidase E. These modifications of proinsulin remove the center portion of

15、 the molecule (ie, C-peptide), from the C- and N- terminal ends of proinsulin. The remaining polypeptides (51 amino acids in total), the B- and A- chains, are bound together by disulfide bonds/disulphide bonds. Insulin:Synthesis and post-translational modification Effect of insulin on glucose uptake

16、 and metabolism. Insulin binds to its receptor (1) which in turn starts many protein activation cascades (2). These include: translocation of Glut-4 transporter to the plasma membrane and influx of glucose (3), glycogen synthesis (4), glycolysis (5) and fatty acid synthesis (6). 脑垂体细胞合成的脑垂体细胞合成的前阿片促

17、黑皮质素（前阿片促黑皮质素（POMC） 在垂体前叶中被加工成在垂体前叶中被加工成-促脂解素促脂解素（-LPH）和）和促肾上腺促肾上腺皮质激素皮质激素（ACTH）；）； 在在垂体中间叶垂体中间叶则被加工成则被加工成-促黑素促黑素（-MSH）、）、-LPH、内啡肽内啡肽和和中间叶促皮质样肽中间叶促皮质样肽（CLIP）。）。 通过组织专一的加工，一个基因编码的前体在不同组织中通过组织专一的加工，一个基因编码的前体在不同组织中按严格的比例产生多种不同的生理活性产物，具有重要的按严格的比例产生多种不同的生理活性产物，具有重要的生理意义。生理意义。Pro-opiomelanocortin 前阿黑皮素前阿黑

18、皮素LPH:脂肪酸释放激素脂肪酸释放激素(lipotropic hormone，lipotropin)CLIP: Corticotropin-like intermediate peptide ACTH: Adrenocorticotropic hormone MSH:Melanocyte-stimulating hormoneEndorphin:内啡肽内啡肽3. 多蛋白前体的水解裂解多蛋白前体的水解裂解垂体前叶垂体前叶垂体中间叶垂体中间叶在垂体前叶在垂体前叶：促黑素：促黑素 -MSH、促脂解素促脂解素-LPH和促肾上腺皮和促肾上腺皮质激素质激素ACTH。在垂体中间叶在垂体中间叶：促黑素：促黑

19、素-MSH、中间叶促皮质样肽、中间叶促皮质样肽CLIP；促脂解素；促脂解素-LPH和和内内啡肽。啡肽。4. 蛋白质剪接蛋白质剪接(protein splicing)：外显肽：外显肽（exteins）和内含肽（）和内含肽（inteins） 蛋白质剪接是蛋白质蛋白质剪接是蛋白质内含肽内含肽介导的，一介导的，一种在蛋白质水平上翻译后的加工过程种在蛋白质水平上翻译后的加工过程,它由一系列分子内的剪切它由一系列分子内的剪切-连接反应组连接反应组成。成。 蛋白质内含肽是一个蛋白质前体中的多蛋白质内含肽是一个蛋白质前体中的多肽序列，可以肽序列，可以催化自身催化自身从蛋白质前体中从蛋白质前体中断裂，使两侧的蛋

20、白质外显肽连接成成断裂，使两侧的蛋白质外显肽连接成成熟的蛋白质熟的蛋白质。 Series of reactions catalyzed by inteins to splice themselves out of a polypeptide chain.1.Attack by the N-terminal intein residue (Ser, Thr, or Cys; shown in Fig. as Ser) on its preceding carbonyl group, yielding a linear (thio)ester intermediate.线性酯中间物线性酯中间物2.

21、 A transesterification酯交换酯交换 reaction in which the -OH or -SH group on the C-exteins N-terminal residue (shown in Fig. as Ser) attacks the above (thio)ester linkage, thereby yielding a branched intermediate in which the N-extein has been transferred to the C-extein.分支中间物分支中间物3. Cleavage of the amide

22、 linkage connecting the intein to the C-extein by cyclization of the inteins C-terminal Asn or Gln (shown in Fig. as Asn).通过内含肽通过内含肽C-端端Asn or Gln的环化打开连接外显肽的环化打开连接外显肽的酰胺键的酰胺键 4. Spontaneous自发自发 rearrangement of the (thio)ester linkage between the ligated exteins to yield the more stable peptide bond

23、.5.1.2 氨基酸残基的修饰氨基酸残基的修饰 1.乙酰化乙酰化 2.甲基化甲基化 3. 酰胺化酰胺化 4.-羧基化羧基化1. 乙酰化乙酰化 人体内约人体内约50%左右的蛋白质末端氨基被乙酰化，左右的蛋白质末端氨基被乙酰化，以延长其在细胞内的半寿期，是细胞内蛋白质翻以延长其在细胞内的半寿期，是细胞内蛋白质翻译后修饰的一种重要形式。译后修饰的一种重要形式。 蛋白质乙酰化修饰类型：蛋白质乙酰化修饰类型： N端氨基酸修饰：端氨基酸修饰：N末端末端-乙酰化通常是翻译中同乙酰化通常是翻译中同时发生的，一般发生在新生肽链大约时发生的，一般发生在新生肽链大约40个残基长的时候。个残基长的时候。由由NAT(N

24、-乙酰转移酶乙酰转移酶)催化。催化。 赖氨酸赖氨酸 氨基乙酰化修饰氨基乙酰化修饰 组蛋白乙酰化修饰位点组蛋白乙酰化修饰位点 其他氨基酸的乙酰化修饰其他氨基酸的乙酰化修饰 丝氨酸和苏氨酸侧链丝氨酸和苏氨酸侧链的羟基可以被乙酰化修饰。的羟基可以被乙酰化修饰。Acetyl CH3-C(=O)- 在甲基转移酶催化下，在在甲基转移酶催化下，在赖氨酸赖氨酸或或精氨酸精氨酸侧链氨侧链氨基上进行的甲基化。基上进行的甲基化。 甲基化增加了立体阻力，并且取代了氨基的氢，甲基化增加了立体阻力，并且取代了氨基的氢，影响了氢键的形成。影响了氢键的形成。 甲基化可以调控分子间和分子与目标蛋白的相互甲基化可以调控分子间和分

25、子与目标蛋白的相互作用。作用。 肌动蛋白、钙调素、细胞色素肌动蛋白、钙调素、细胞色素c等少数几个蛋白等少数几个蛋白中发现中发现组氨酸组氨酸的的N-3和和赖氨酸赖氨酸-氨基可被甲基化。氨基可被甲基化。 甲基由甲基由S-腺苷基蛋氨酸腺苷基蛋氨酸转移至组织蛋白是由转移至组织蛋白是由组织组织蛋白甲基转移酶蛋白甲基转移酶所催化。所催化。 蛋白质甲基化是其中一种蛋白质甲基化是其中一种后翻译修饰后翻译修饰。 2. 甲基化甲基化3. 酰胺化酰胺化 有些蛋白质的羧基端的有些蛋白质的羧基端的甘氨酸被酰胺化甘氨酸被酰胺化，以免被，以免被羧肽酶降解。羧肽酶降解。 反应分为两步；先是甘氨酸羟基化，然后脱去反应分为两步；

26、先是甘氨酸羟基化，然后脱去1分子分子乙醛酸，乙醛酸，并产生新的并产生新的酰胺化羧基端酰胺化羧基端。 有些蛋白质有些蛋白质N-端谷氨酸残基的氨基可与其端谷氨酸残基的氨基可与其-羧基羧基脱水形成焦谷氨酸，以消除脱水形成焦谷氨酸，以消除N-端氨基。端氨基。NH2-CH(R1)-CO-NH-CH2-COOHNH2-CH(R1)-CO-NH-CH(OH)-COOH 甘氨酸羟基化甘氨酸羟基化NH2-CH(R1)-CO-NH2 +CHO-COOH 酰胺化羧基端酰胺化羧基端(RC(=O)-NH-) 4.-羧基化羧基化 在凝血酶原以及凝血因子在凝血酶原以及凝血因子、中均发现中均发现谷氨谷氨酸残基酸残基-羧基化羧

27、基化。 反应由依赖维生素反应由依赖维生素K的的羧化酶羧化酶催化，形成催化，形成-碳上有碳上有两个羧基，能与两个羧基，能与Ca2+螯合，在凝血中起重要作用。螯合，在凝血中起重要作用。 5.脯氨酰和赖氨酰的羟基化脯氨酰和赖氨酰的羟基化 胶原新生肽链在内质网腔内首先在脯氨酰胶原新生肽链在内质网腔内首先在脯氨酰-4-羟化羟化酶（识别酶（识别-Gly-x-Pro-）和赖氨酰羟化酶（识别）和赖氨酰羟化酶（识别-Gly-x-Lys-）催化下，生成）催化下，生成4-羟脯氨酰羟脯氨酰和和-羟赖氨羟赖氨酰酰Hyl，再由脯氨酰，再由脯氨酰-3-羟化酶（识别羟化酶（识别-Gly-Pro-Hyp-）把中间的脯氨酰）把中

28、间的脯氨酰3-羟基化，然后羟基化，然后Hyl再糖基再糖基化，才能形成三股螺旋化，才能形成三股螺旋前胶原前胶原。 分泌到胞外后，切去分泌到胞外后，切去N-端和端和C-端肽段，变为成熟端肽段，变为成熟的的原胶原原胶原。 原胶原自发聚合形成原胶原自发聚合形成胶原微纤维胶原微纤维。 羟赖氨酰氧化酶催化羟赖氨酰氧化酶催化Hyl形成醛赖氨酰，两个醛赖形成醛赖氨酰，两个醛赖氨酰缩合成醇醛，进一步与氨酰缩合成醇醛，进一步与His和和Hyl残基反应形残基反应形成链间共价交联，成为成链间共价交联，成为稳定和强度高的胶原蛋白稳定和强度高的胶原蛋白。 6.ADP-核糖基化核糖基化 蛋白质的蛋白质的ADP-核糖基化普遍

29、存在于各类生物。核糖基化普遍存在于各类生物。 哺乳动物核外蛋白质以单哺乳动物核外蛋白质以单ADP-核糖基化为主，核糖基化为主，ADP-核糖基转移酶从核糖基转移酶从NAD+中把中把ADP-核糖基转移核糖基转移到到Arg、Asn或或His的修饰产物的修饰产物白喉酰胺白喉酰胺的侧链的侧链N原原子上。子上。 核内蛋白核内蛋白大多发生大多发生多聚多聚ADP-核糖基化核糖基化：ADP-核糖核糖基聚合酶（基聚合酶（poly(ADP-ribose)polymerase, PARP）先将先将NAD+中的中的ADP-核糖基转移到核糖基转移到Glu侧链羧基上，侧链羧基上，再不断添加再不断添加ADP-核糖基，形成含有

30、数百个核糖基，形成含有数百个ADP-核核糖且有分枝的糖且有分枝的多聚多聚ADP-核糖核糖。 PARP自己就以这种方式修饰，并参与自己就以这种方式修饰，并参与DNA断裂的断裂的修复。修复。 白喉毒素、百日咳毒素和霍乱毒素等具有白喉毒素、百日咳毒素和霍乱毒素等具有ADP-核核糖基转移酶活性，分别把糖基转移酶活性，分别把ADP-核糖基转移到白喉核糖基转移到白喉酰胺、酰胺、Cys和和Arg残基上。残基上。 diphthamide 白喉酰胺白喉酰胺 5.1.3 蛋白质与脂类共价结合蛋白质与脂类共价结合1.蛋白质与糖基肌醇磷脂（蛋白质与糖基肌醇磷脂（glycosyl phosphatidylinosito

31、l, GPI）共价结合）共价结合2.豆蔻酰化豆蔻酰化3.棕榈酰化棕榈酰化4.C-端异戊烯基化端异戊烯基化 棕榈酰基通过硫棕榈酰基通过硫酯键与酯键与Cys相连相连 N-肉豆蔻酰基与肉豆蔻酰基与氨基端的氨基端的Gly相相连连 与羧基端与羧基端Cys残残基相连的是含基相连的是含15-C和和20C的类异戊的类异戊二烯的法呢基或二烯的法呢基或牻牛儿牻牛儿基牻牛儿牻牛儿基 糖基磷脂酰肌醇：糖基磷脂酰肌醇：GPIGPI锚定蛋白与脂结合的膜蛋白外侧内侧1.蛋白质与糖基肌醇磷脂（蛋白质与糖基肌醇磷脂（glycosyl phosphatidylinositol, GPI）共价结合）共价结合 某些蛋白质新生肽链的停

32、止转运肽位于某些蛋白质新生肽链的停止转运肽位于C-端，被内质网转肽酶切除后，生成新的端，被内质网转肽酶切除后，生成新的C-端在膜中与糖基磷脂酰肌醇端在膜中与糖基磷脂酰肌醇GPI的氨基反的氨基反应，以酰胺键与应，以酰胺键与GPI连接定位于内质网膜连接定位于内质网膜内侧，然后运到质膜成为内侧，然后运到质膜成为膜锚蛋白膜锚蛋白。 哺乳动物至少有哺乳动物至少有50多种蛋白以此种方式与多种蛋白以此种方式与膜结合，包括水解酶、受体、粘附分子、膜结合，包括水解酶、受体、粘附分子、补体抑制因子和功能不详的表面抗原等。补体抑制因子和功能不详的表面抗原等。 GPI是由膜中组分是由膜中组分PI糖基化再与磷酸乙醇糖基

33、化再与磷酸乙醇胺结合而成的，合成途径酶缺陷将导致细胺结合而成的，合成途径酶缺陷将导致细胞表面胞表面GPI结合蛋白缺乏。结合蛋白缺乏。2.豆蔻酰化豆蔻酰化 在在N-端豆蔻酰转移酶催化端豆蔻酰转移酶催化下，有些蛋白质下，有些蛋白质H2N-Gly-x-x-x-Ser/Thr-Lys（Arg）-Lys（Arg）-的的N-端氨基酸以端氨基酸以酰胺键酰胺键与一个豆蔻酰基相连，并以此与一个豆蔻酰基相连，并以此插入脂双层成为一种插入脂双层成为一种膜锚蛋白膜锚蛋白。 G蛋白蛋白亚基、亚基、Src或介导小泡运输的或介导小泡运输的Arf均以这种均以这种方式与质膜或小泡膜结合。这种修饰是方式与质膜或小泡膜结合。这种修

34、饰是伴伴翻译的，翻译的，不可逆。不可逆。Arf: ADP-ribosylation factorSrc:非受体酪氨酸蛋白非受体酪氨酸蛋白激酶家族成员激酶家族成员3.棕榈酰化棕榈酰化 棕榈酰基转移酶棕榈酰基转移酶可将棕榈酰基转移至一些肽链可将棕榈酰基转移至一些肽链C-端附近的端附近的Cys残基上，使之成为膜锚蛋白；经硫酯残基上，使之成为膜锚蛋白；经硫酯酶水解切去棕榈酰基重新成为可溶性胞质蛋白。酶水解切去棕榈酰基重新成为可溶性胞质蛋白。这种细胞定位的改变与其功能调节有密切关系。这种细胞定位的改变与其功能调节有密切关系。 4.C-端异戊烯基化端异戊烯基化 一些一些C-端为端为-C-xx-S/M/Q-

35、COOH的肽链，在酶催的肽链，在酶催化下从法尼基焦磷酸上把含化下从法尼基焦磷酸上把含3个异戊二烯单位的个异戊二烯单位的法尼基转移到法尼基转移到Cys残基残基S原子原子上，再由水解酶切掉上，再由水解酶切掉Cys后面的残基，产生的新羧基端又被甲基化，后面的残基，产生的新羧基端又被甲基化，通过法尼基把蛋白质锚定在膜上。通过法尼基把蛋白质锚定在膜上。 Ras蛋白以这种方式与膜结合，如阻断其法尼基化蛋白以这种方式与膜结合，如阻断其法尼基化反应，也就阻断了它与膜的结合，从而逆转反应，也就阻断了它与膜的结合，从而逆转Ras转转化细胞的功能。化细胞的功能。 C-端为端为-CC、-CxxL或或-CxC的肽链不进

36、行法尼基化的肽链不进行法尼基化而发生牻牛儿牻牛儿基化，在而发生牻牛儿牻牛儿基化，在Cys的的S原子上连接原子上连接由由4个异戊二烯单位聚合而成的牻牛儿牻牛儿基。个异戊二烯单位聚合而成的牻牛儿牻牛儿基。 疏水尾巴越长，膜锚蛋白与膜的结合越牢固。疏水尾巴越长，膜锚蛋白与膜的结合越牢固。5.1.4 泛素化及泛素样泛素化及泛素样UBL修饰修饰 泛素泛素(Ub)是一种含是一种含76个氨个氨基酸的多肽，存在于除细基酸的多肽，存在于除细菌外的许多不同组织和器菌外的许多不同组织和器官中，具有标记待降解蛋官中，具有标记待降解蛋白质的功能。白质的功能。 与磷酸化修饰过程一样，与磷酸化修饰过程一样，泛素化修饰过程也

37、是一种泛素化修饰过程也是一种可逆的共价修饰过程，它可逆的共价修饰过程，它能够调节被修饰蛋白的稳能够调节被修饰蛋白的稳定性、功能活性状态以及定性、功能活性状态以及细胞内定位等情况。细胞内定位等情况。 科学网：蛋白质泛素化研究进展探索蛋白修饰的秘密泛素蛋白连接机制泛素蛋白连接机制蛋白质的蛋白质的SUMO化修饰化修饰 SUMO: small uniquitin-related modifier 为类泛素为类泛素蛋白家族成员，蛋白家族成员，可与多种蛋白质可与多种蛋白质结合发挥相应的结合发挥相应的功能。功能。 参与转录调节、参与转录调节、核转运、维持基核转运、维持基因组完整性、及因组完整性、及信号传导等

38、。信号传导等。5.1.5 组蛋白的共价修饰组蛋白的共价修饰 磷酸化和去磷酸化磷酸化和去磷酸化 乙酰化和去乙酰化乙酰化和去乙酰化 甲基化和去甲基化甲基化和去甲基化 泛素化和去泛素化泛素化和去泛素化 组蛋白是染色体的基本组蛋白是染色体的基本单位单位核小体的蛋白核小体的蛋白质组成部分，在进化上质组成部分，在进化上十分保守。十分保守。 真核生物的染色体上主真核生物的染色体上主要含有要含有5种组蛋白，即核种组蛋白，即核心组蛋白心组蛋白H2a、H2b、H3、H4及连接组蛋白及连接组蛋白H1。 核心组蛋白八聚体、蛋核心组蛋白八聚体、蛋白白H1和和200 bp的的DNA共共同组成了核小体。同组成了核小体。组蛋

39、白修饰的结构组蛋白修饰的结构基础基础组蛋白修饰的结构基础组蛋白修饰的结构基础 5 种组蛋白中，除种组蛋白中，除H1 的的N 端富含疏水氨基酸，端富含疏水氨基酸，C 端端富含碱性氨基酸之外，其余富含碱性氨基酸之外，其余4种都是种都是N 端富含碱性氨端富含碱性氨基酸基酸(如精氨酸、赖氨酸如精氨酸、赖氨酸)，C 端富含疏水氨基酸端富含疏水氨基酸(如如缬氨酸、异亮氨酸缬氨酸、异亮氨酸)。 在组蛋白中带有折叠基序在组蛋白中带有折叠基序(motif)的的C 端结构域与组蛋端结构域与组蛋白分子间发生相互作用，并与白分子间发生相互作用，并与DNA 的缠绕有关。的缠绕有关。 N 端可同其他调节蛋白和端可同其他调

40、节蛋白和DNA 作用，且富含赖氨酸，作用，且富含赖氨酸，具有高度精细的可变区。具有高度精细的可变区。 组蛋白组蛋白N端端尾部的尾部的1538 个氨基酸残基是翻译后修个氨基酸残基是翻译后修饰的主要位点，饰的主要位点，调节调节DNA 的生物学功能。的生物学功能。 组蛋白修饰、组蛋白密码与表观遗传学组蛋白修饰、组蛋白密码与表观遗传学 单一组蛋白的修饰往往不能独立地发挥作用，一个单一组蛋白的修饰往往不能独立地发挥作用，一个或多个组蛋白尾部的不同共价修饰依次发挥作用或或多个组蛋白尾部的不同共价修饰依次发挥作用或组合在一起，形成一个修饰的级联，它们通过协同组合在一起，形成一个修饰的级联，它们通过协同或拮抗

41、来共同发挥作用这些多样性的修饰以及它或拮抗来共同发挥作用这些多样性的修饰以及它们时间和空间上的组合与生物学功能的关系可作为们时间和空间上的组合与生物学功能的关系可作为一种重要的表观标志或语言，也被称为一种重要的表观标志或语言，也被称为“组蛋白密组蛋白密码码” (histone code)。 组蛋白修饰与组蛋白修饰与DNA DNA 甲基化、染色体重塑和非编码甲基化、染色体重塑和非编码RNA RNA 调控等，在基因的调控等，在基因的DNA DNA 序列不发生改变时，使序列不发生改变时，使基因的表达发生改变，并且这种改变还能通过有丝基因的表达发生改变，并且这种改变还能通过有丝分裂和减数分裂进行遗传，

42、这种遗传方式是遗传学分裂和减数分裂进行遗传，这种遗传方式是遗传学的一个分支，被称为的一个分支，被称为“表观遗传学表观遗传学”。组蛋白密码。组蛋白密码扩展了扩展了DNA DNA 序列自身包含的遗传信息，构成了重要序列自身包含的遗传信息，构成了重要的表观遗传学标志。的表观遗传学标志。Histone Modification and Remodeling Play an Essential Role in Transcriptional ActivationHistone modifications on the nucleosome core particle. Posttranslational

43、 modification sites are indicated by the residue numbers and the colored symbols, which are defined in the key at the lower left (acK acetyl-Lys, meR methyl-Arg, meK methyl-Lys, PS phospho-Ser, and uK ubiquitinated Lys). Note that H3 Lys 9 can be either methylated or acetylated. The N-terminal tail

44、modifications are shown on only one of the two copies of H3 and H4 and only one molecule each of H2A and H2B are shown. The C- terminal tails of one H2A and one H2B are represented by dashed lines. The green arrows indicate the sites in intact完整完整 nucleosomes that are susceptible to易被易被 trypsin clea

45、vage. Histone-Modifying Enzymes, the sites for modification are marked in color 组蛋白修饰的调节组蛋白修饰的调节 组蛋白的不同化学修饰之间相互作用，不组蛋白的不同化学修饰之间相互作用，不仅表现为同种组蛋白不同残基的一种修饰仅表现为同种组蛋白不同残基的一种修饰能加速或抑制另一修饰的发生，并且在影能加速或抑制另一修饰的发生，并且在影响其他组蛋白残基的同时，也受到另外组响其他组蛋白残基的同时，也受到另外组蛋白残基修饰的调节。蛋白残基修饰的调节。 另一方面，组蛋白上相同氨基酸残基不同另一方面，组蛋白上相同氨基酸残基不同修饰

46、之间也会发生协同或者拮抗。修饰之间也会发生协同或者拮抗。 同一组蛋白的不同修饰类型之间发生相互同一组蛋白的不同修饰类型之间发生相互影响称顺式作用，不同组蛋白的修饰之间影响称顺式作用，不同组蛋白的修饰之间发生的相互影响称反式作用。发生的相互影响称反式作用。 1.1.磷酸化与去磷酸化磷酸化与去磷酸化 组蛋白磷酸化在有丝分裂、细胞死亡、组蛋白磷酸化在有丝分裂、细胞死亡、DNA损伤损伤修复、修复、DNA 复制和重组过程中发挥着直接的作复制和重组过程中发挥着直接的作用。用。 例如，组蛋白例如，组蛋白H3 N 端的磷酸化可能促进染色质端的磷酸化可能促进染色质在有丝分裂期间的凝集。在有丝分裂期间的凝集。 组

47、蛋白组蛋白H1 被细胞周期蛋白依赖的激酶磷酸化是被细胞周期蛋白依赖的激酶磷酸化是其翻译后主要的修饰作用。组蛋白其翻译后主要的修饰作用。组蛋白H1 的磷酸化的磷酸化能够影响能够影响DNA 二级结构的改变和染色体凝集状二级结构的改变和染色体凝集状态的改变。态的改变。 另一方面，组蛋白另一方面，组蛋白H1 的磷酸化需要的磷酸化需要DNA 的复制，的复制，并且激活并且激活DNA 复制的蛋白激酶也促进组蛋白复制的蛋白激酶也促进组蛋白H1 的磷酸化。因此，组蛋白的磷酸化。因此，组蛋白H1 磷酸化与磷酸化与DNA 的复的复制存在一个协同发生的机制制存在一个协同发生的机制。组蛋白相同残基修饰之间的调节组蛋白相

48、同残基修饰之间的调节 2. 组蛋白的乙酰化和去乙酰化组蛋白的乙酰化和去乙酰化 组蛋白乙酰化与去乙酰化，分别是由组蛋白乙酰化与去乙酰化，分别是由组蛋白乙酰转组蛋白乙酰转移酶移酶(HAT)(HAT)和去乙酰化转移酶和去乙酰化转移酶(HDAC) (HDAC) 催化催化的。的。 HAT HAT 和和HDAC HDAC 催化的乙酰化反应在真核生物基因的表催化的乙酰化反应在真核生物基因的表达调控中起着重要作用，这两种酶通过对核心组蛋达调控中起着重要作用，这两种酶通过对核心组蛋白进行可逆修饰来调节核心组蛋白的乙酰化水平，白进行可逆修饰来调节核心组蛋白的乙酰化水平，从而调控转录的起始与延伸。从而调控转录的起始

49、与延伸。 一般来说，一般来说，组蛋白的乙酰化促进转录，而去乙酰化组蛋白的乙酰化促进转录，而去乙酰化则抑制转录。则抑制转录。 组蛋白相同残基修饰之间的调节组蛋白相同残基修饰之间的调节 核心组蛋白核心组蛋白N 端的末端富含赖氨酸，端的末端富含赖氨酸， 生理生理条件下条件下带正电带正电，它可与带负电的，它可与带负电的DNA 或相或相邻的核小体发生作用，邻的核小体发生作用， 导致核小体构象紧导致核小体构象紧凑及染色质高度折叠。凑及染色质高度折叠。 乙酰化使组蛋白与乙酰化使组蛋白与DNA 间的作用减弱，导间的作用减弱，导致染色质构象松散，这种构象有利于转录致染色质构象松散，这种构象有利于转录调节因子的接

50、近，从而可以和转录因子结调节因子的接近，从而可以和转录因子结合，促进基因的转录。合，促进基因的转录。HAT催化的组蛋白催化的组蛋白Lys的乙的乙酰化和脱乙酰化酰化和脱乙酰化LegubeLegube 等提出，调控等提出，调控HAT HAT 和和HDAC HDAC 的机制主要分为三类，的机制主要分为三类，即调节酶量、调节酶活性、调即调节酶量、调节酶活性、调节与特异性转录因子相互作用节与特异性转录因子相互作用. .3. 组蛋白的甲基化和去甲基化修饰组蛋白的甲基化和去甲基化修饰 组蛋白甲基化由特异的组蛋白甲基化由特异的组蛋白甲基组蛋白甲基转移酶转移酶和和脱甲基酶脱甲基酶协调催化完成，协调催化完成，是一

51、个可逆的是一个可逆的动态修饰动态修饰过程。过程。组蛋白相同残基修饰之间的调节组蛋白相同残基修饰之间的调节 （1） 组蛋白赖氨酸甲基化组蛋白赖氨酸甲基化 组蛋白组蛋白赖氨酸赖氨酸甲基化发生在甲基化发生在H3-K4、H3-K9、 H3-K27、H3-K36、 H3-K79和和H4-K20 上，上， 还还可发生于可发生于H1 N 端。端。 H3-K9、 H3-K27、H4-K20 的甲基化与染色体的的甲基化与染色体的钝化钝化过程有关，而过程有关，而H4-K9 的甲基化可能与大范围的甲基化可能与大范围的染色质水平的的染色质水平的抑制抑制有关。有关。 H3-K4、H3-K36、 H3-K79 位的甲基化

52、与染色体位的甲基化与染色体转录转录激活过程激活过程有关，其中有关，其中H3-K4 的单甲基化修饰的单甲基化修饰可以对抗可以对抗H4-K9 甲基化所导致的基因抑制。甲基化所导致的基因抑制。（2 2）组蛋白精氨酸甲基化组蛋白精氨酸甲基化 组蛋白精氨酸甲基化位点为组蛋白精氨酸甲基化位点为H3-R2、H3-R4、 H3-R17和和H3-R26，它们都可以，它们都可以增强转录增强转录。 组蛋白组蛋白的甲基化修饰主要是由一类含有组蛋白组蛋白的甲基化修饰主要是由一类含有SET结构域结构域的蛋白来执行的。的蛋白来执行的。Histone Methylation SET蛋白蛋白是一类包含保守的是一类包含保守的SE

53、T结构域、与组蛋结构域、与组蛋白甲基化密切相关的蛋白质。白甲基化密切相关的蛋白质。 4. 组蛋白的泛素化与去泛素化修饰组蛋白的泛素化与去泛素化修饰 组蛋白泛素化也是可逆转的调控。组蛋白泛素化也是可逆转的调控。 组蛋白泛素化的动态平衡过程由两个因素决定：组蛋白泛素化的动态平衡过程由两个因素决定：细细胞内可以利用的游离泛素、组蛋白泛素化或去泛素胞内可以利用的游离泛素、组蛋白泛素化或去泛素化酶的活性。化酶的活性。 组蛋白泛素化需要一系列酶组蛋白泛素化需要一系列酶E1、E2、E3 的作用，而的作用，而组蛋白去泛素化则需要肽酶的作用。组蛋白去泛素化则需要肽酶的作用。 组蛋白组蛋白H2A 泛素化修饰位点是

54、高度保守的泛素化修饰位点是高度保守的H2AK119 位点。位点。 除了除了H2A 以外，组蛋白以外，组蛋白H2B 也可以被泛素化修饰。也可以被泛素化修饰。 H2B 的泛素化位点也定位于的泛素化位点也定位于C 端的端的赖氨酸赖氨酸残基：哺残基：哺乳动物的乳动物的H2BK120 位点，芽殖酵母的位点，芽殖酵母的H2BK123 位点。位点。 泛素化形式的泛素化形式的H3 不多，仅在大鼠睾丸变态的精子不多，仅在大鼠睾丸变态的精子细胞中发现。细胞中发现。 相比而言，组蛋白相比而言，组蛋白H3、H1 的泛素化形式比的泛素化形式比H2A、H2B 少，目前也还没有发现组蛋白少，目前也还没有发现组蛋白H3、H

55、1 的泛的泛素化位点。素化位点。 泛素部分可以通过泛素泛素部分可以通过泛素76 位点甘氨酸的肽键水解位点甘氨酸的肽键水解而去除。而去除。 目前发现至少有目前发现至少有90 种种去泛素化酶去泛素化酶，并且这些酶有，并且这些酶有序列多样性。序列多样性。 去泛素化酶分为两个家族，去泛素化酶分为两个家族，泛素羧基端水解酶泛素羧基端水解酶家家族族(Ub C-terminal hydrolase，UCH)和和泛素特异性泛素特异性加工蛋白酶家族加工蛋白酶家族(Ub-specific processing protease，UBP)。 5.2 蛋白质的可逆磷酸化作用概述蛋白质的可逆磷酸化作用概述5.2.1 蛋

56、白质可逆磷酸化作用的特点蛋白质可逆磷酸化作用的特点5.2.2 可逆磷酸化作用调节蛋白质活性的机制可逆磷酸化作用调节蛋白质活性的机制蛋白质的磷酸化和去磷酸化作用蛋白质的磷酸化和去磷酸化作用蛋白质可逆磷酸化概念蛋白质可逆磷酸化概念 磷酸化反应是泛指把磷酸基团通过酶促反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。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蛋白质的磷酸化则是指由蛋白激酶催化的把把ATP或或GTP 位位的磷酸基转移到底物蛋的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆转过程是白质氨基酸残基上的过程，其逆转过程是由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质的脱磷

57、由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质的脱磷酸化。酸化。蛋白质可逆磷酸化修饰是调控各种各样生蛋白质可逆磷酸化修饰是调控各种各样生物学功能的通用机制物学功能的通用机制 1955年美国生化学家年美国生化学家Krebs E.G.和和Fischer E.H.发发现现糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶的调节机制，并因此获得的调节机制，并因此获得1992年诺年诺贝尔生理医学奖。贝尔生理医学奖。 受这种方式调控的许多生理生化过程：受这种方式调控的许多生理生化过程：基因的复制基因的复制和转录，分子识别和信号转导，蛋白质的合成与降和转录，分子识别和信号转导，蛋白质的合成与降解，物质代谢与跨膜运输，细胞形态建成与肌肉收解，物质代谢

58、与跨膜运输，细胞形态建成与肌肉收缩，细胞周期的运转，细胞增殖与分化，肿瘤发生缩，细胞周期的运转，细胞增殖与分化，肿瘤发生以及包括学习记忆在内的高级神经活动等等。以及包括学习记忆在内的高级神经活动等等。 蛋白质的可逆磷酸化是许多信号转导途径实现其生蛋白质的可逆磷酸化是许多信号转导途径实现其生物学功能的枢纽（图物学功能的枢纽（图5.1）。）。图图5.1 蛋白质可逆磷酸化在介导信号物质生物效应中的蛋白质可逆磷酸化在介导信号物质生物效应中的作用作用光光血红素血红素多胺多胺生长因子生长因子干扰素干扰素甾类激素甾类激素cAMP药物药物肽类激素肽类激素神经递质神经递质前列腺素前列腺素Ca2+药物药物膜去极化

59、膜去极化神经冲动神经冲动神经递质神经递质激素激素蛋白质蛋白质OH蛋白质可逆磷酸化系统蛋白质可逆磷酸化系统ATP 蛋白激酶蛋白激酶 ADPP蛋白质蛋白质蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶PiH2O致癌病毒致癌病毒多种生物多种生物效应效应药物药物神经递质神经递质激素激素前列腺素前列腺素cGMP磷脂酰肌醇系磷脂酰肌醇系统统5.2.1 蛋白质可逆磷酸化作用的特点蛋白质可逆磷酸化作用的特点 磷酸化是目前已知的最主要的调节修饰方式：真磷酸化是目前已知的最主要的调节修饰方式：真核细胞的核细胞的1/3到到1/2处于磷酸化状态。处于磷酸化状态。 一些蛋白质只有一个磷酸化残基，一些则有几个，一些蛋白质只有一个磷酸化残基，一些则

60、有几个，少数蛋白质有几十个磷酸化位点。少数蛋白质有几十个磷酸化位点。 原核细胞通过蛋白质可逆磷酸化进行调控的生理原核细胞通过蛋白质可逆磷酸化进行调控的生理生化过程相对较少。生化过程相对较少。 随着生物进化，越是高等生物这种调节方式的使随着生物进化，越是高等生物这种调节方式的使用越普遍，表明蛋白质可逆磷酸化作用具有显著用越普遍，表明蛋白质可逆磷酸化作用具有显著的优势和特殊的重要性。的优势和特殊的重要性。蛋白质可逆磷酸化特点蛋白质可逆磷酸化特点（1）专一性强）专一性强 胞外信号胞外信号经经胞内信使胞内信使控制蛋白激酶和蛋控制蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性，通过对特定白磷酸酶的活性，通过对特定靶蛋白靶蛋