Посттрансляционная модификация

Биологические процессы Посттрансляционная модификация инсулина. Вверху рибосома переводит последовательность мРНК в белок, инсулин, и пропускает белок через эндоплазматический ретикулум, где он разрезается, складывается и удерживается в форме дисульфидными (-S-S-) связями. Затем белок проходит через аппарат Гольджи, где он упаковывается в пузырьки. В везикуле больше частей отрезается, и он превращается в зрелый инсулин.

Посттрансляционная модификация (PTM ) относится к ковалентной и обычно ферментативная модификация белков после биосинтеза белка. Белки синтезируются с помощью рибосом трансляции мРНК в полипептидные цепи, которые затем могут подвергаться ПТМ с образованием зрелого белкового продукта. ПТМ являются важными компонентами в передаче сигналов клеток, например, когда прогормоны превращаются в гормоны.

, посттрансляционные модификации могут происходить в боковых цепях аминокислоты или на С- или N- концах белка. Они могут расширить химический репертуар из 20 стандартных аминокислот путем модификации существующей функциональной группы или введения новой, такой как фосфат. Фосфорилирование - очень распространенный механизм регулирования активности ферментов и наиболее распространенная посттрансляционная модификация. Многие эукариотические и прокариотические белки также имеют углеводные молекулы, прикрепленные к ним в процессе, называемом гликозилированием, что может способствовать укладке белка и повысить стабильность. а также выполняющие регулирующие функции. Присоединение липидных молекул, известное как липидирование, часто нацелено на белок или часть белка, прикрепленного к клеточной мембране.

Другие формы посттрансляционной модификации состоят из расщепление пептидных связей, как при переработке пропептида до зрелой формы или удалении остатка инициатора метионина. Образование дисульфидных связей из остатков цистеина также может называться посттрансляционной модификацией. Например, пептид гормон инсулин разрезается дважды после образования дисульфидных связей, а пропептид удаляется из середины цепи; Полученный белок состоит из двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями.

Некоторые типы посттрансляционных модификаций являются следствием окислительного стресса. Карбонилирование является одним из примеров, когда модифицированный белок подвергается деградации и может приводить к образованию агрегатов белка. Конкретные модификации аминокислот могут использоваться в качестве биомаркеров, указывающих на окислительное повреждение.

Сайты, которые часто подвергаются посттрансляционной модификации, - это те сайты, которые имеют функциональную группу, которая может служить нуклеофилом в реакции: гидроксильные группы серина, треонина и тирозина ; аминные формы лизина, аргинина и гистидина ; тиолат анион из цистеина ; карбоксилаты, аспартат и глутамат ; и N- и C-концы. Кроме того, хотя амид из аспарагина является слабым нуклеофилом, он может служить точкой присоединения для гликанов. Более редкие модификации могут происходить в окисленных метионинах и в некоторых метиленах в боковых цепях.

Посттрансляционная модификация белков может быть экспериментально обнаружена различными методами, включая масс-спектрометрия, вестерн-блоттинг и вестерн-блоттинг. Дополнительные методы представлены в разделах внешних ссылок.

• 1 ПТМ с добавлением функциональных групп
  • 1.1 Добавление ферментом in vivo
    • 1.1.1 Гидрофобные группы для локализации мембраны
    • 1.1.2 Кофакторы для повышения ферментативной активности
    • 1.1.3 Модификации факторов трансляции
    • 1.1.4 Более мелкие химические группы
  • 1.2 Неферментативные добавления in vivo
  • 1.3 Неферментативные добавления in vitro
• 2 Другие белки или пептиды
• 3 Химическая модификация аминокислоты
• 4 Структурные изменения
• 5 Статистика
  • 5.1 Общие PTM по частоте
  • 5.2 Общие PTM по остатку
• 6 Базы данных и инструменты
  • 6.1 Список ресурсов
  • 6.2 Инструменты
• 7 Примеры случаев
• 8 Зависимость
• 9 См. Также
• 10 Ссылки
• 11 Внешние ссылки

Добавление ферментом in vivo

Гидрофобные группы для локализации мембраны

• миристоилирование (тип ацилирования ), присоединение миристата, C 14 насыщенной кислоты
• пальмитоилирование (тип е ацилирования), присоединение пальмитата, C 16 насыщенная кислота
• изопренилирование или пренилирование, добавление изопреноида группа (например, фарнезол и геранилгераниол )
  • фарнезилирование
  • геранилгеранилирование
• глипиирование, образование гликозилфосфатидилинозитола (GPI) через амидную связь с C-концевым хвостом

Кофакторы для повышенной ферментативной активности

• липоилирования (тип ацилирования), присоединения липоат (C8) функциональной группы
• фрагмент флавина (FMN или FAD ) может быть ковалентно присоединен присоединением
• гема C посредством тиоэфирных связей с цистеинами
• фосфопантетеинилированием, добавлением 4 ' -фосфопантетеинильный фрагмент из кофермента A, как в жирной кислоте, поликетиде, нерибосомном пептиде и биосинтезе лейцина
• ретинилиден образование основания Шиффа

Модификации факторов трансляции

• образование дифтамида (на гистидине, обнаруженном в прикреплении eEF2 )
• (на глутамате, обнаруженном в eEF1α )
• образовании гипузина (на консервативном лизине eIF5A (эукариотический) и (архейный))
• бета-лизин добавление к консервативный лизин фактора удлинения P (EFP) у большинства бактерий. EFP является гомологом eIF5A (эукариотический) и (архейный) (см. Выше).

Меньшие химические группы

• ацилирование, например O-ацилирование (сложные эфиры ), N-ацилирование (амиды ), S-ацилирование (тиоэфиры )
  • ацетилирование, добавление ацетила группа, либо на N-конце белка, либо на лизиновых остатках. См. Также ацетилирование гистона. Обратное называется деацетилированием.
  • формилирование
• алкилирование, добавление алкильной группы, например метил, этил
  • метилирование добавление метильная группа, обычно у остатков лизина или аргинина. Обратное называется деметилированием.
• амидированием на С-конце. Образуется окислительной диссоциацией C-концевой остаток Gly.
• амид образование связи
  • аминокислота присоединение
    • , тРНК присоединение-посредничество
    • полиглутамилирование, ковалентное связывание остатков глутаминовой кислоты с N-концом тубулина и некоторых других белков (см.)
    • полиглицилирование, ковалентное связывание одного с более чем 40 глицином остатки до тубулин С-концевой хвост
• гамма-карбоксилирование в зависимости от гликозилирования витамина К
• , добавление гликозильной группы к аргинин, аспарагин, цистеин, гидроксилизин, серин, треонин, тирозин или триптофан с образованием гликопротеина. В отличие от гликирования, которое рассматривается как неферментативное присоединение сахаров.
  • O-GlcNAc, добавление N-ацетилглюкозамина к остаткам серина или треонина в β-гликозидной связи
  • полисиалирование, добавление полисиаловой кислоты, PSA, к NCAM
• гидроксилирование : добавление атома кислорода к боковой цепи остатка Pro или Lys
• иодирование : добавление атома йода к ароматическому кольцу остатка тирозина (например, в тиреоглобулин )
• присоединение нуклеотида, такое как АДФ-рибозилирование
• сложного фосфатного эфира (O-связанное) или образование фосфорамидата (N-связанное)
  • фосфорилирование, добавление фосфатной группы, обычно к серину, треонину и тирозину (O-связан), или гистидин (N-связанный)
  • аденилилирование, добавление аденилильного фрагмента, обычно к тирозину (O-связанному), или гистидин и лизин (N-linked)
  • уридилилирование, добавление уридилильной группы (т.е. уридинмонофосфат, UMP), обычно к тирозину
• образование пироглутамата
• S-глутатионилирование
• S-нитрозилирование
• S-сульфенилирование (также известное как S-сульфенилирование), обратимое ковалентное присоединение одного атома кислорода к тиольной группе цистеин остаток
• S-сульфинилирование, обычно необратимое ковалентное присоединение двух атомов кислорода к тиольной группе цистеинового остатка
• S-сульфонилирование, обычно необратимое ковалентное присоединение трех атомов кислорода к тиольной группе остатка цистеина, приводящее к образованию остатка цистеиновой кислоты
• сукцинилирование добавление сукцинильной группы к лизину
• сульфатирование, добавление сульфатной группы к тирозину.

неферментативные добавки in vivo

• гликирование, добавление молекулы сахара к белку без контролирующего действия фермента.
• карбамилирование добавление изоциановой кислоты к N- конец или боковая цепь Lys.
• карбонилирование добавка n оксида углерода к другим органическим / неорганическим соединениям.
• спонтанное образование изопептидной связи, как обнаружено во многих поверхностных белках грамположительных бактерий.

Неферментативные добавки в vitro

• биотинилирование : ковалентное присоединение части биотина с использованием реагента биотинилирования, обычно с целью мечения белка.
• карбамилирование: добавление изоциановой кислоты к N-концу белка или к боковая цепь остатков Lys или Cys, обычно возникающая в результате воздействия растворов мочевины.
• окисление: добавление одного или нескольких атомов кислорода к чувствительной боковой цепи, в основном из остатков Met, Trp, His или Cys. Образование дисульфидных связей между остатками Cys.
• пегилирование : ковалентное присоединение полиэтиленгликоля (PEG) с использованием реагента пегилирования, обычно к N-концу или сбоку -цепи остатков Lys. Пегилирование используется для повышения эффективности белковых фармацевтических препаратов.

• ISGylation, ковалентная связь с ISG15 белком (интерферон-стимулированный ген 15)
• SUMOylation, ковалентная связь с SUMO-белком (Small Ubiquitin-related MOdifier) ​​
• убиквитинирование, ковалентная связь к белку убиквитину.
• неддилирование, ковалентная связь с Nedd
• пупилирование, ковалентная связь с прокариотическим убиквитин-подобным белком

• цитруллинирование или удаление, преобразование аргинина в цитруллин
• дезамидирование, преобразование глутамина в глутаминовую кислоту или аспарагин в аспарагиновую кислоту
• , преобразование в алкен посредством бета-элиминирования фосфотреонина и фосфосерина, или дегидратация треонина и серина

• дисульфидные мостики, ковалентное связывание двух цистеин аминокислот
• протеолитическое расщепление, расщепление белка по пептидной связи
• изоаспартат образование посредством циклизации аспарагина или аминокислотных остатков аспарагиновой кислоты
• рацемизация
  • серина с помощью протеин-сериновой эпимеразы
  • аланина в дерморфин, лягушачий опиоидный пептид
  • из метионина в дельторфине, также опиоидный пептид лягушки
• сплайсинг белка, самостоятельно -каталитическое удаление интеинов аналогично обработке мРНК

Общие PTM по частоте

В 2011 году статистика каждой экспериментально и предположительно обнаруженной посттрансляционной модификации был скомпилирован с использованием протеомной информации из базы данных Swiss-Prot. 10 наиболее распространенных экспериментально обнаруженных модификаций были следующими:

Частота	Модификация
58383	Фосфорилирование
6751	Ацетилирование
5526	N-связанное гликозилирование
2844	Амидирование
1619	Гидроксилирование
1523	Метилирование
1133	О-связанное гликозилирование
878	Убиквитилирование
826	Пирролидон карбоновая кислота
504	Сульфатирование

Обычные РТМ по остатку

Некоторые общие посттрансляционные модификации конкретных аминокислотных остатков показаны ниже. Если не указано иное, модификации происходят в боковой цепи.

Аминокислота	Аббревиатура	Модификация
Аланин	Ala	N-ацетилирование (N-конец)
Аргинин	Arg	деэлиминирование до цитруллина, метилирование
аспарагин	Asn	дезамидирование до Asp или изо (Asp), N-связанное гликозилирование
Аспарагиновая кислота	Изомеризация Asp	до изоаспарагиновой кислоты
Цистеин	Cys	дисульфид образование связи, окисление до сульфеновой, сульфиновой или сульфоновой кислоты, пальмитоилирование, N-ацетилирование (N-конец), S-нитрозилирование
глутамин	Gln	циклизация до пироглутаминовой кислоты (N-конец), дезамидирование до глутаминовой кислоты или образование изопептидной связи до лизина с помощью трансглутаминазы
глутаминовой кислоты	Glu	циклизация до пироглутаминовой кислоты (N-конец), гамма-карбоксилирование
Глицин	Gly	N-Миристоилирование (N-конец), N-ацетилирование (N-конец)
Гистидин	His	Фосфорилирование
Изолейцин	Ile
Лейцин	Leu
Лизин	Lys	ацетилирование, убиквитинирование, SUMOylation, метилирование, гидроксилирование
метионин	Met	N-ацетилирование (N-конец), N-связанное убиквитинирование, окисление до сульфоксида или сульфона
фенилаланин	Phe
пролин	Pro	гидроксилирование
серин	Ser	фосфорилирование, O-связанное гликозилирование, N-ацетилирование (N -конце)
Треонин	Thr	Фосфорилирование, О-связанное гликозилирование, N-ацетилирование (N-конец)
Триптофан	Trp	моно- или диокисление, образование кинуренина
тирозина	Tyr	сульфатирование, фосфорилирование
валин	Val	N -ацетилирование (N-конец)

Блок-схема процесса и источники данных для прогнозирования PTM.

Белковые последовательности содержат мотивы последовательностей, которые распознаются модифицирующими ферментами и которые могут быть задокументировано или предсказано изд. в базах данных PTM. В связи с обнаружением большого количества различных модификаций существует необходимость документировать такую ​​информацию в базах данных. Информация PTM может быть собрана экспериментальным путем или предсказана на основе высококачественных данных, собранных вручную. Были созданы многочисленные базы данных, часто с акцентом на определенные таксономические группы (например, человеческие белки) или другие особенности.

Список ресурсов

• PhosphoSitePlus - База данных исчерпывающей информации и инструментов для изучения посттрансляционных модификаций белков млекопитающих
• - База данных белков и посттрансляционных модификаций экспериментально
• Справочная база данных белков человека - База данных для различных модификаций и понимания различных белков, их классов и функций / процессов, связанных с вызывающими заболевания белками.
• ПРОФИЛЬ - База данных шаблонов консенсуса для многих типов PTM, включая сайты
• Protein Information Resource (PIR) - База данных для сбора аннотаций и структур для PTM.
• - База данных, в которой показаны различные PTM и информация об их химических компонентах / структуры и частота сайта, модифицированного аминокислотой
• Uniprot имеет информацию о PTM, хотя она может быть менее полной, чем в более специализированных базах данных. Влияние PTM на функцию белков и физиологические процессы.

Инструменты

Список программного обеспечения для визуализации белков и их PTM

• PyMOL - ввести набор общих PTM в модели белков
• - Интерактивный инструмент, чтобы увидеть роль полиморфизмов одиночных нуклеотидов для PTM
• Химера - Интерактивная база данных для визуализации молекул

• Расщепление и образование дисульфидных мостиков во время производства инсулина
• PTM из гистонов как регуляция транскрипции : контроль РНК-полимеразы структурой хроматина
• PTM РНК-полимеразы II как регуляция транскрипции
• Расщепление полипептида цепочки имеют решающее значение для специфичности лектина

Главная особенность зависимости - ее постоянство. Аддиктивный фенотип может сохраняться на протяжении всей жизни, при этом тяга к наркотикам и рецидивы происходят даже после десятилетий воздержания. Посттрансляционные модификации, состоящие из эпигенетических изменений белковых хвостов гистона в определенных областях мозга, по-видимому, имеют решающее значение для молекулярной основы зависимостей. Как только происходят определенные посттрансляционные эпигенетические модификации, они, по-видимому, представляют собой долговечные «молекулярные шрамы», которые могут объяснять стойкость зависимости.

Курильщики сигарет (около 21% населения США в 2013 г.) обычно пристрастился к никотину. После 7 дней лечения мышей никотином посттрансляционные модификации, состоящие из ацетилирования как гистона H3, так и гистона H4, усилились на FosB. промотор в прилежащем ядре мозга, вызывающий увеличение экспрессии FosB на 61%. Это также увеличивает экспрессию варианта сплайсинга Delta FosB. В прилежащем ядре мозга Delta FosB функционирует как «устойчивый молекулярный переключатель» и «главный управляющий белок» в развитии зависимости. Точно так же после 15 дней никотиновой обработки крыс посттрансляционная модификация, состоящая из 3-кратного увеличения ацетилирования гистона H4, происходит на промоторе гена рецептора дофамина D1 (DRD1) в префронтальная кора (ПФК) крыс. Это вызвало повышенное высвобождение дофамина в области мозга, связанной с PFC вознаграждением, и такое повышенное высвобождение дофамина признано важным фактором зависимости.

Около 7% населения США имеет зависимость от алкоголь. У крыс, подвергнутых воздействию алкоголя в течение 5 дней, наблюдалось усиление посттрансляционной модификации ацетилирования гистона 3 лизина 9, H3K9ac, в промоторе проноцицептина в мозге миндалины комплекс. Это ацетилирование является активирующей меткой для пронцицептина. Система ноцицептин / ноцицептин опиоидных рецепторов участвует в усиливающих или кондиционирующих эффектах алкоголя.

Кокаиновая зависимость встречается примерно у 0,5% населения США. Повторное введение кокаина мышам вызывает посттрансляционные модификации, включая гиперацетилирование гистона 3 (H3) или гистона 4 (H4) в 1696 генах в одной области вознаграждения мозга [прилежащее ядро ​​ ] и деацетилирование по 206 генам. По крайней мере, 45 генов, которые, как было показано в предыдущих исследованиях, были активированы в прилежащем ядре мышей после хронического воздействия кокаина, были связаны с посттрансляционным гиперацетилированием гистона H3 или гистона. H4. Многие из этих отдельных генов напрямую связаны с аспектами зависимости, связанной с воздействием кокаина.

В 2013 году 22,7 миллиона человек в возрасте 12 лет и старше в США нуждались в лечении от проблемы употребления запрещенных наркотиков или алкоголя (8,6 процента). лиц в возрасте 12 лет и старше).

• Нацеливание на белок
• Посттрансляционная регуляция

• dbPTM - база данных посттрансляционных белков. трансляционные модификации

(Wayback Machine копия)

• Список посттрансляционных модификаций в ExPASy
• Просмотр доменов SCOP по PTM - из базы данных dcGO
• Статистика каждого сообщения -трансляционная модификация из базы данных Swiss-Prot

(Wayback Machine)

• AutoMotif Server - Вычислительный протокол для идентификации посттрансляционных модификаций в белковых последовательностях
• Функциональный анализ для конкретных сайтов фосфорилирование целевого белка в клетках
• Обнаружение посттрансляционных модификаций после r высокоточный MSMS
• Обзор и описание широко используемых методов обнаружения посттрансляционных модификаций