Modyfikacja potranslacyjna - Post-translational modification
Modyfikacja potranslacyjna ( PTM ) odnosi się do kowalencyjnej i ogólnie enzymatycznej modyfikacji białek po biosyntezie białek . Białka są syntetyzowane przez rybosomy dokonujące translacji mRNA na łańcuchy polipeptydowe, które następnie mogą podlegać PTM, tworząc dojrzały produkt białkowy. PTM są ważnymi składnikami sygnalizacji komórkowej , na przykład gdy prohormony są przekształcane w hormony .
Potranslacyjne modyfikacje mogą pojawić się w aminokwasowych łańcuchów bocznych lub proteiny C- lub N- końcowe. Mogą poszerzyć repertuar chemiczny 20 standardowych aminokwasów poprzez modyfikację istniejącej grupy funkcyjnej lub wprowadzenie nowej, takiej jak fosforan . Fosforylacja jest bardzo powszechnym mechanizmem regulacji aktywności enzymów i jest najczęstszą modyfikacją potranslacyjną. Wiele białek eukariotycznych i prokariotycznych ma również przyłączone do nich cząsteczki węglowodanów w procesie zwanym glikozylacją , który może promować fałdowanie białek i poprawiać stabilność, a także pełnić funkcje regulacyjne. Mocowanie lipidów cząsteczek znanych jako lipidację , często kieruje białko lub część białka przyłączone do błony komórkowej .
Inne formy modyfikacji potranslacyjnej polegają na przecinaniu wiązań peptydowych , tak jak przy przetwarzaniu propeptydu do postaci dojrzałej lub usuwaniu inicjatora reszty metioniny . Tworzenie wiązań dwusiarczkowych z reszt cysteiny można również określić jako modyfikację potranslacyjną. Na przykład, hormon peptydowy insulina jest dwukrotnie cięty po utworzeniu wiązań dwusiarczkowych, a propeptyd jest usuwany ze środka łańcucha; powstałe białko składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych połączonych wiązaniami dwusiarczkowymi.
Niektóre rodzaje modyfikacji potranslacyjnych są konsekwencją stresu oksydacyjnego . Karbonylacja jest jednym z przykładów, który kieruje zmodyfikowane białko do degradacji i może skutkować tworzeniem agregatów białkowych. Specyficzne modyfikacje aminokwasów można wykorzystać jako biomarkery wskazujące na uszkodzenia oksydacyjne.
Miejsca, które często ulegają modyfikacji potranslacyjnej, to te, które mają grupę funkcyjną, która może służyć jako nukleofil w reakcji: grupy hydroksylowe seryny , treoniny i tyrozyny ; z aminami formy lizyny , argininy i histydyny ; tiolanu anionu z cysteiną ; te karboksylany o asparaginian i glutaminian ; oraz N- i C-końce. Ponadto, mimo że amid o asparaginy jest słaby związek nukleofilowy, może służyć jako punkt przyłączenia dla glikanów . Rzadsze modyfikacje mogą wystąpić w przypadku utlenionych metionin i niektórych metylenów w łańcuchach bocznych.
Potranslacyjne modyfikacje białek mogą być doświadczalnie wykrywane różnymi technikami, w tym spektrometrią mas , techniką Eastern blotting i Western blotting . Dodatkowe metody są dostępne w sekcjach linków zewnętrznych.
PTM z dodawaniem grup funkcyjnych
Dodawanie przez enzym in vivo
Grupy hydrofobowe do lokalizacji membran
- mirystoilacja (rodzaj acylacji ), przyłączenie mirystynianu , nasyconego kwasu C14
- palmitoilowania (typ acylowanie) Przyłączenie palmitynian , C 16 nasycony kwas
- izoprenylacja lub prenylacja , dodanie grupy izoprenoidowej (np. farnezol i geranylogeraniol )
- glypiacja , tworzenie kotwicy glikozylofosfatydyloinozytolu (GPI) przez wiązanie amidowe do ogona C-końcowego
Kofaktory zwiększające aktywność enzymatyczną
- lipoylation (typ acylowanie) przyłączenie liponian (C 8 ) grupa funkcyjna
- ugrupowanie flawinowe ( FMN lub FAD ) może być przyłączone kowalencyjnie
- przyłączenie hemu C poprzez wiązania tioeterowe z cysteinami
- fosfopantetheinylowanie , dodanie ugrupowania 4'-fosfopantetheinylowego z koenzymu A , jak w kwasie tłuszczowym, poliketydzie, peptydzie nierybosomalnym i biosyntezie leucyny
- tworzenie zasady Schiffa retinylidenu
Modyfikacje współczynników translacji
- tworzenie dyftamidu (na histydynie znalezionej w eEF2 )
- przyłączanie etanoloaminy do fosfoglicerolu (na glutaminianie występującym w eEF1α )
- tworzenie hypusyny (na konserwowanej lizynie eIF5A (eukariotyczna) i aIF5A ( archaeal ))
- Dodatek beta-lizyny do konserwowanej lizyny czynnika elongacji P (EFP) u większości bakterii. EFP jest homologiem eIF5A (eukariotyczny) i aIF5A ( archaeal ) (patrz wyżej).
Mniejsze grupy chemiczne
-
acylowanie , np. O- acylowanie ( estry ), N- acylowanie ( amidy ), S- acylowanie ( tioestry )
- acetylacja , dodanie grupy acetylowej na końcu N białka lub na resztach lizyny . Zobacz także acetylowanie histonów . Odwrotność nazywa się deacetylacją .
- formylacja
-
alkilacja , dodanie grupy alkilowej np. metyl , etyl
- metylacja dodanie grupy metylowej , zwykle przy resztach lizyny lub argininy . Odwrotność nazywa się demetylacją .
- amidacja na C-końcu. Powstały w wyniku dysocjacji oksydacyjnej C-końcowej reszty Gly.
-
tworzenie wiązania
amidowego
-
dodatek
aminokwasów
- arginylacja , tRNA -dodanie pośredniczące
- poliglutamylacja , kowalencyjne wiązanie reszt kwasu glutaminowego z N-końcem tubuliny i niektórych innych białek. (Patrz poliglutamylaza tubulinowa )
- poliglicylacja , kowalencyjne wiązanie od jednej do ponad 40 reszt glicyny z ogonem tubuliny C-końcowym
-
dodatek
aminokwasów
- butyrylacja
- gamma-karboksylacja zależna od witaminy K
-
glikozylacja , dodanie grupy glikozylowej do argininy , asparaginy , cysteiny , hydroksylizyny , seryny , treoniny , tyrozyny lub tryptofanu skutkujące glikoproteiną . Różni się od glikacji , która jest uważana za nieenzymatyczne przyłączenie cukrów.
- O -GlcNAc , addycja N- acetyloglukozaminy do reszt seryny lub treoniny w wiązaniu β-glikozydowym
- polisialilacja, dodanie kwasu polisialowego , PSA, do NCAM
- malonylacja
- hydroksylacja : dodanie atomu tlenu do łańcucha bocznego reszty Pro lub Lys
- jodowanie : dodanie atomu jodu do pierścienia aromatycznego reszty tyrozyny (np. w tyreoglobulinie )
- dodanie nukleotydów, takie jak rybozylacja ADP
-
tworzenie estru fosforanowego (związanego O ) lub amidofosforynu (związanego N )
- fosforylacja , dodanie grupy fosforanowej , zwykle do seryny , treoniny i tyrozyny (połączenia O ) lub histydyny (połączenia N )
- adenylilacja , dodanie ugrupowania adenylylowego , zwykle do tyrozyny (związane z O ) lub histydyny i lizyny (związane z N )
- urydylilacja, dodanie grupy urydylilowej (tj. monofosforanu urydyny , UMP), zwykle do tyrozyny
- propionylacja
- tworzenie piroglutaminianu
- S- glutationylacja
- S -nitrozylacja
- S -sulfenylacja ( inaczej S -sulfenylacja), odwracalne kowalencyjne dodanie jednego atomu tlenu do grupy tiolowej reszty cysteiny
- S -sulfinylowanie, normalnie nieodwracalne kowalencyjne dodanie dwóch atomów tlenu do grupy tiolowej reszty cysteiny
- S -sulfonylation zwykle nieodwracalne kowalencyjne dodawanie trzech atomów tlenu do tiolowej grupy o cysteiny pozostałości, w wyniku tworzenia się kwasu cysteinowego pozostałości
- sukcynylacja dodanie grupy sukcynylowej do lizyny
- siarczanowanie , dodanie grupy siarczanowej do tyrozyny .
Dodatki nieenzymatyczne in vivo
- glikacja , dodanie cząsteczki cukru do białka bez kontrolującego działania enzymu.
- karbamylacja dodanie kwasu izocyjanowego do końca N białka lub łańcucha bocznego Lys.
- karbonylacja dodanie tlenku węgla do innych związków organicznych/nieorganicznych.
- spontaniczne tworzenie wiązań izopeptydowych , które można znaleźć w wielu białkach powierzchniowych bakterii Gram-dodatnich .
Dodatki nieenzymatyczne in vitro
- biotynylacja : kowalencyjne przyłączenie ugrupowania biotyny przy użyciu odczynnika biotynylującego, typowo w celu znakowania białka.
- karbamylacja: dodanie kwasu izocyjanowego do N-końca białka lub łańcucha bocznego reszt Lys lub Cys, zwykle wynikające z ekspozycji na roztwory mocznika.
- utlenianie: dodanie jednego lub więcej atomów tlenu do podatnego łańcucha bocznego, głównie reszt Met, Trp, His lub Cys. Tworzenie wiązań dwusiarczkowych między resztami Cys.
- pegylacja : kowalencyjne przyłączenie glikolu polietylenowego (PEG) przy użyciu odczynnika do pegylacji, zazwyczaj do N-końca lub łańcuchów bocznych reszt Lys. Pegylację stosuje się w celu poprawy skuteczności farmaceutyków białkowych.
Inne białka lub peptydy
- ISGylacja, kowalencyjne połączenie z białkiem ISG15 (interferon-stymulowany gen 15)
- SUMOilacja , kowalencyjne wiązanie z białkiem SUMO (Small Ubiquitin-related Modifier)
- ubikwitynacja , kowalencyjne wiązanie z białkiem ubikwityną.
- neddylacja , kowalencyjne wiązanie z Nedd
- poczwarka , kowalencyjne wiązanie z prokariotycznym białkiem podobnym do ubikwityny
Modyfikacja chemiczna aminokwasów
- cytrulinacja , czyli deiminacja , konwersja argininy do cytruliny
- deamidacja , konwersja glutaminy do kwasu glutaminowego lub asparaginy do kwasu asparaginowego
- eliminylation konwersja do alkenu przez beta-eliminację z fosfotreoninę i fosfoseryna lub odwadnianie w treoniny i seryny
Zmiany strukturalne
- mostki dwusiarczkowe , kowalencyjne połączenie dwóch aminokwasów cysteinowych
- rozszczepienie proteolityczne , rozszczepienie białka przy wiązaniu peptydowym
- tworzenie izoasparaginianu poprzez cyklizację reszt aminokwasowych asparaginy lub kwasu asparaginowego
-
racemizacja
- od seryny przez białko-seryny epimerazy
- od alaniny w dermorphin , żaby opioidowego peptyd
- od metioniny w del- również żaby opioidowego peptyd
- składanie białek , samokatalityczne usuwanie intein analogicznie do przetwarzania mRNA
Statystyka
Typowe PTM według częstotliwości
W 2011 roku zebrano statystyki każdej eksperymentalnie i przypuszczalnie wykrytej modyfikacji potranslacyjnej, wykorzystując informacje z bazy danych Swiss-Prot dotyczące całego proteomu. 10 najczęstszych eksperymentalnie znalezionych modyfikacji przedstawiało się następująco:
Częstotliwość | Modyfikacja |
---|---|
58383 | Fosforylacja |
6751 | Acetylowanie |
5526 | N-połączona glikozylacja |
2844 | Amidacja |
1619 | Hydroksylacja |
1523 | Metylacja |
1133 | O-glikozylacja |
878 | Wszechobecność |
826 | Kwas karboksylowy pirolidonu |
504 | Zasiarczenie |
Typowe PTM według pozostałości
Poniżej przedstawiono niektóre typowe modyfikacje potranslacyjne określonych reszt aminokwasowych. Modyfikacje zachodzą na łańcuchu bocznym, chyba że wskazano inaczej.
Bazy danych i narzędzia
Sekwencje białkowe zawierają motywy sekwencji, które są rozpoznawane przez modyfikację enzymów i które można udokumentować lub przewidzieć w bazach danych PTM. Ze względu na dużą liczbę wykrywanych różnych modyfikacji istnieje potrzeba dokumentowania tego rodzaju informacji w bazach danych. Informacje PTM można gromadzić za pomocą środków eksperymentalnych lub przewidywać na podstawie ręcznie dobranych danych wysokiej jakości. Utworzono liczne bazy danych, często skupiające się na określonych grupach taksonomicznych (np. białkach ludzkich) lub innych cechach.
Lista zasobów
- PhosphoSitePlus — baza danych zawierająca wyczerpujące informacje i narzędzia do badania potranslacyjnej modyfikacji białek ssaków
- ProteomeScout – eksperymentalna baza danych białek i modyfikacji potranslacyjnych
- Human Protein Reference Database – baza danych dla różnych modyfikacji i zrozumienia różnych białek, ich klasy i funkcji/procesów związanych z białkami powodującymi choroby
- PROSITE – Baza danych wzorców konsensusu dla wielu typów PTM, w tym witryn
- Zasób informacji białkowych (PIR) — baza danych umożliwiająca uzyskanie zbioru adnotacji i struktur dla PTM.
- dbPTM – baza danych, która pokazuje różne PTM i informacje dotyczące ich składników chemicznych/struktury oraz częstotliwości występowania modyfikacji aminokwasów
- Uniprot posiada informacje PTM, chociaż mogą one być mniej wyczerpujące niż w bardziej wyspecjalizowanych bazach danych.
- O GIcNAc Database - kurator bazy danych białka O-GlcNAcylation i przedstawieniu ponad 14 000 haseł oraz 10 000 białkowych O witryn GIcNAc.
Narzędzia
Lista oprogramowania do wizualizacji białek i ich PTM
- PyMOL – wprowadzenie zestawu popularnych PTM do modeli białek
- AWESOME – Interaktywne narzędzie pozwalające zobaczyć rolę polimorfizmów pojedynczego nukleotydu w PTM
- Chimera – interaktywna baza danych do wizualizacji cząsteczek
Przykłady przypadków
- Rozszczepianie i tworzenie mostków dwusiarczkowych podczas produkcji insuliny
- PTM histonów jako regulacja transkrypcji : kontrola polimerazy RNA za pomocą struktury chromatyny
- PTM polimerazy RNA II jako regulacja transkrypcji
- Rozszczepienie łańcuchów polipeptydowych jako kluczowe dla swoistości lektyn
Nałóg
Główną cechą uzależnienia jest jego uporczywość. Uzależniający fenotyp może trwać przez całe życie, a głód narkotykowy i nawrót mogą wystąpić nawet po dziesięcioleciach abstynencji. Modyfikacje potranslacyjne polegające na epigenetycznych zmianach ogonków białek histonowych w określonych obszarach mózgu wydają się mieć kluczowe znaczenie dla molekularnych podstaw uzależnień . Po pojawieniu się określonych potranslacyjnych modyfikacji epigenetycznych, wydają się one być długotrwałymi „bliznami molekularnymi”, które mogą wyjaśniać utrzymywanie się uzależnień.
Palacze papierosów (około 21% populacji USA w 2013 roku)) są zwykle uzależnieni od nikotyny . Po 7 dniach leczenia myszy nikotyną, potranslacyjne modyfikacje polegające na acetylacji zarówno histonu H3, jak i histonu H4 wzrosły na promotorze FosB w jądrze półleżącym mózgu, powodując 61% wzrost ekspresji FosB. Zwiększa to również ekspresję wariantu splicingowego Delta FosB . W jądrze półleżącym mózgu, delta FosB działa jako „przedłużoną molekularny przełącznik” i „białko sterującym” na opracowaniu uzależnienia . Podobnie, po 15 dniach leczenia szczurów nikotyną, modyfikacja potranslacyjna polegająca na 3-krotnie zwiększonej acetylacji histonu H4 zachodzi na promotorze genu receptora dopaminowego D1 (DRD1) w korze przedczołowej (PFC) szczurów. Spowodowało to zwiększone uwalnianie dopaminy w regionie mózgu związanym z nagrodą PFC , a takie zwiększone uwalnianie dopaminy jest uznawane za ważny czynnik uzależnienia.
Około 7% populacji USA jest uzależnionych od alkoholu . U szczurów wystawionych na działanie alkoholu przez okres do 5 dni nastąpił wzrost potranslacyjnej modyfikacji acetylacji histonu 3 lizyny 9, H3K9ac , w promotorze pronocyceptyny w kompleksie mózgu ciała migdałowatego . Ta acetylacja jest aktywującym znacznikiem dla pronocyceptyny. Układ receptorów opioidowych nocyceptyny/nocyceptyny bierze udział we wzmacnianiu lub kondycjonowaniu działania alkoholu.
Uzależnienie od kokainy występuje u około 0,5% populacji USA. Wielokrotne podawanie kokainy myszom indukuje modyfikacje potranslacyjne, w tym hiperacetylację histonu 3 (H3) lub histonu 4 (H4) przy 1696 genach w jednym regionie nagrody mózgu [ jądro półleżące ] i deacetylację przy 206 genach. Stwierdzono, że co najmniej 45 genów, jak wykazano we wcześniejszych badaniach, jest podwyższonych w jądrze półleżącym myszy po przewlekłej ekspozycji na kokainę, jest związanych z hiperacetylacją potranslacyjną histonu H3 lub histonu H4. Wiele z tych pojedynczych genów jest bezpośrednio związanych z aspektami uzależnienia związanego z narażeniem na kokainę.
W 2013 r. 22,7 mln osób w wieku co najmniej 12 lat w Stanach Zjednoczonych wymagało leczenia z powodu problemu używania narkotyków lub alkoholu (8,6% osób w wieku co najmniej 12 lat).
Zobacz też
Bibliografia
Zewnętrzne linki
( Kopia Wayback Machine )
- Lista zmian potranslacyjnych w ExPASy
- Przeglądaj domeny SCOP według PTM — z bazy danych dcGO
- Statystyki każdej modyfikacji potranslacyjnej z bazy Swiss-Prot
(Maszyna odwracalna)
- Serwer AutoMotif — protokół obliczeniowy do identyfikacji modyfikacji potranslacyjnych w sekwencjach białek
- Analizy funkcjonalne pod kątem fosforylacji specyficznej dla miejsca docelowego białka w komórkach
- Wykrywanie modyfikacji potranslacyjnych po MSMS o wysokiej dokładności
- Przegląd i opis powszechnie stosowanych technik wykrywania modyfikacji potranslacyjnych