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蛋白质是怎样“梳妆打扮”的

来源:中国科学报 作者: 2015-10-9

摘要: 9月23日,美国伯克利大学教授迈克尔·瑞普(MichaelRape)在《自然》杂志上在线发表了一篇论文,谈到了泛素化修饰依赖的蛋白质翻译的调节决定了细胞的命运。许多人都知道,细胞内的各种生理生化过程,主要是由蛋白质来负责完成的。一个小小的细胞之内可以含有上百万个蛋白质分子,而蛋白质分子是由核糖体负责翻译合成的。......


9月23日,美国伯克利大学教授迈克尔·瑞普(Michael Rape)在《自然》杂志上在线发表了一篇论文,谈到了泛素化修饰依赖的蛋白质翻译的调节决定了细胞的命运。

许多人都知道,细胞内的各种生理生化过程,主要是由蛋白质来负责完成的。一个小小的细胞之内可以含有上百万个蛋白质分子,而蛋白质分子是由核糖体负责翻译合成的。

不过,这些蛋白质大分子在合成之后往往还要经历翻译后的修饰,蛋白质的修饰有着重要的生物学意义。泛素化修饰就是蛋白质翻译后修饰的一种。换句话说,一些“小伙伴”要把蛋白质“梳妆打扮”一番之后,再送它出去“执行任务”。蛋白的翻译后修饰有许多种类,它的“小伙伴”包括磷酸基团、泛素分子、乙酰基、甲基、糖苷链等等,不同的修饰发生在不同的氨基酸残基上。比如,磷酸化修饰可以发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基上;泛素化和乙酰化主要发生在赖氨酸残基上;而甲基化则可以发生在精氨酸和赖氨酸残基上;糖基化修饰有两类,发生在丝氨酸和苏氨酸上的O-链接糖基化和发生在天冬氨酸上的N-链接糖基化。

那么,经过这些“小伙伴”的妙手之后,“粉饰一新”的蛋白质又会增加什么样的本领呢?

蛋白质的翻译后修饰可以控制细胞的分化。瑞普实验室的工作发现,泛素连接酶CUL3蛋白和它在脊椎动物中的特异性底物接头蛋白KBTBD8是人类和爪蟾神经脊特化所必需的。两种蛋白一起,经过一系列生物化学反应,改装了细胞分化的翻译程序使其支持神经脊细胞的特化。

泛素化修饰的还可以降解体内各种特殊途径的蛋白,从而可以调节信号转导途径。比如生长素分子进入植物细胞内与受体结合,加强了受体与靶蛋白的相互作用,使得靶蛋白被迅速地泛素化修饰,导致靶蛋白的降解。这些靶蛋白包括特定基因的转录抑制子或转录因子,从而激活或者抑制生长素通路上下游基因的表达。

磷酸化修饰也可以成为特定的信号转导途径的开关。在植物中,丝氨酸/苏氨酸受体激酶家族是最大的细胞表面受体家族。以油菜素内酯的信号转导途径为例,油菜素内酯是植物生长和对付各种非生物逆境,如冷害和盐害等的一个重要植物激素。它的受体蛋白就是一个受体激酶。油菜素内酯在胞外与受体蛋白结合,使受体蛋白自身被磷酸化修饰,磷酸化的受体蛋白激活了一系列下游信号,从而促进油菜素内酯早期信号转导功能复合体的形成。

蛋白质的翻译后修饰可以迅速降解细胞内不需要的蛋白。比如,错误折叠的蛋白会被泛素化修饰从而被蛋白酶体降解。可不要小瞧了这一点,一些神经系统的疾病,像阿尔茨海默氏症,也就是人们常说的老年痴呆症,就是错误折叠的蛋白不能被及时降解,积累下来而引发的。

蛋白质的翻译后修饰还可以调节基因的表达。比如组蛋白的泛素化修饰、乙酰化和甲基化修饰。DNA是以超螺旋的形式缠绕在组蛋白组装的核小体上的。组蛋白的这些修饰会改变相应区域的染色质结构,从而增加或减少基因的表达。

蛋白质在翻译的过程中以及翻译之后都需要折叠成正确的三维空间结构,糖基化修饰则有助于蛋白质的正确折叠和定位。不过对于这一过程的细节,我们了解得很少。蛋白还可以被多种脂肪酸修饰,这些往往与受体识别有关,参与许多生命过程,比如雌雄配子的结合。

蛋白质和它的小伙伴们之间的故事是生命在漫长的进化过程中呈现出的精彩一幕。它使得小到一个细胞,大到整个有机体,可以在多个层面上对生命活动进行“粗调”和“细调”。可以说,从医疗健康到农业生产,蛋白质的“故事”和人们的生活息息相关。

不过,现在仍有许多翻译后修饰的生物学意义还不被人所知,还有许多翻译后修饰尚未被发现。这使得蛋白质翻译后修饰这个领域的研究一直是生命科学领域的研究热点。


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