Посттрансляционная модификация
Химические изменения в белках после их трансляции из мРНК
Посттрансляционная модификация инсулина . Наверху рибосома транслирует последовательность мРНК в белок, инсулин, и пропускает белок через эндоплазматический ретикулум , где он разрезается, сворачивается и удерживается в форме дисульфидными (-SS-) связями. Затем белок проходит через аппарат Гольджи , где он упаковывается в везикулу. В везикуле отрезается больше частей, и он превращается в зрелый инсулин.

В молекулярной биологии посттрансляционная модификация ( ПТМ ) — это ковалентный процесс изменения белков после биосинтеза белка . ПТМ могут включать ферменты или происходить спонтанно. Белки создаются рибосомами , которые транслируют мРНК в полипептидные цепи , которые затем могут изменяться, образуя зрелый белковый продукт. ПТМ являются важными компонентами в клеточной сигнализации , например, когда прогормоны преобразуются в гормоны .

Посттрансляционные модификации могут происходить на боковых цепях аминокислот или на С- или N- концах белка . [1] Они могут расширять химический набор из 22 аминокислот , изменяя существующую функциональную группу или добавляя новую, такую ​​как фосфат. Фосфорилирование очень эффективно для контроля активности фермента и является наиболее распространенным изменением после трансляции. [2] Многие эукариотические и прокариотические белки также имеют молекулы углеводов , прикрепленные к ним в процессе, называемом гликозилированием , который может способствовать сворачиванию белка и улучшать стабильность, а также выполнять регуляторные функции. Присоединение липидных молекул, известное как липидизация , часто нацелено на белок или часть белка, прикрепленную к клеточной мембране .

Другие формы посттрансляционной модификации состоят из расщепления пептидных связей , как при обработке пропептида в зрелую форму или удалении остатка метионина- инициатора . Образование дисульфидных связей из остатков цистеина также может называться посттрансляционной модификацией. [3] Например, пептидный гормон инсулин разрезается дважды после образования дисульфидных связей, и пропептид удаляется из середины цепи; полученный белок состоит из двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями.

Некоторые типы посттрансляционной модификации являются последствиями окислительного стресса . Карбонилирование является одним из примеров, которое нацеливает модифицированный белок на деградацию и может привести к образованию белковых агрегатов. [4] [5] Конкретные модификации аминокислот могут быть использованы в качестве биомаркеров, указывающих на окислительное повреждение. [6]

Сайты, которые часто подвергаются посттрансляционной модификации, — это те, которые имеют функциональную группу, которая может служить нуклеофилом в реакции: гидроксильные группы серина , треонина и тирозина ; аминные формы лизина , аргинина и гистидина ; тиолятный анион цистеина ; карбоксилаты аспартата и глутамата ; и N- и C-концы. Кроме того, хотя амид аспарагина является слабым нуклеофилом, он может служить точкой присоединения для гликанов . Более редкие модификации могут происходить в окисленных метионинах и в некоторых метиленовых группах в боковых цепях. [7]

Посттрансляционная модификация белков может быть экспериментально обнаружена различными методами, включая масс-спектрометрию , истерн-блоттинг и вестерн-блоттинг . Дополнительные методы приведены в разделе #Внешние ссылки.

ПТМ, включающие добавление функциональных групп

Добавление ферментав естественных условиях

Гидрофобные группы для локализации в мембране

Кофакторы для усиления ферментативной активности

Модификации факторов перевода

Меньшие химические группы

Неферментативные модификациив естественных условиях

Примерами неферментативных ПТМ являются гликирование, гликоокисление, нитрозилирование, окисление, сукцинирование и липоксидация. [15]

Неферментативные добавкив пробирке

  • биотинилирование : ковалентное присоединение фрагмента биотина с использованием реагента для биотинилирования, обычно с целью маркировки белка.
  • Карбамилирование: добавление изоциановой кислоты к N-концу белка или боковой цепи остатков Lys или Cys, обычно возникающее в результате воздействия растворов мочевины. [18]
  • окисление: добавление одного или нескольких атомов кислорода к восприимчивой боковой цепи, в основном остатков Met, Trp, His или Cys. Образование дисульфидных связей между остатками Cys.
  • пегилирование : ковалентное присоединение полиэтиленгликоля (ПЭГ) с использованием реагента пегилирования, обычно к N-концу или боковым цепям остатков Lys. Пегилирование используется для повышения эффективности белковых фармацевтических препаратов.

Конъюгация с другими белками или пептидами

Химическая модификация аминокислот

Структурные изменения

Статистика

Распространенные PTM по частоте

В 2011 году статистика каждой посттрансляционной модификации, обнаруженной экспериментально и предположительно, была собрана с использованием информации по всему протеому из базы данных Swiss-Prot. [24] Десять наиболее распространенных экспериментально обнаруженных модификаций были следующими: [25]

ЧастотаМодификация
58383Фосфорилирование
6751Ацетилирование
5526N-связанное гликозилирование
2844Амидирование
1619Гидроксилирование
1523Метилирование
1133О-связанное гликозилирование
878Убиквитилирование
826Пирролидонкарбоновая кислота
504Сульфатирование

Общие PTM по остатку

Некоторые общие посттрансляционные модификации определенных аминокислотных остатков показаны ниже. Модификации происходят в боковой цепи, если не указано иное.

АминокислотаСокращенно.Модификация
АланинАла или АN-ацетилирование (N-конец)
АргининАрг или Рдеиминирование в цитруллин , метилирование
АспарагинАсн или Ндезамидирование до Asp или изо(Asp), N-связанное гликозилирование , спонтанное образование изопептидной связи
Аспарагиновая кислотаАспид или Дизомеризация в изоаспарагиновую кислоту, спонтанное образование изопептидной связи
ЦистеинЦис или Собразование дисульфидной связи, окисление до сульфеновой, сульфиновой или сульфоновой кислоты, пальмитоилирование , N-ацетилирование (N-конец), S-нитрозилирование
ГлютаминГлн или Qциклизация в пироглутаминовую кислоту (N-конец), дезамидирование в глутаминовую кислоту или образование изопептидной связи с лизином с помощью трансглутаминазы
Глутаминовая кислотаГлю или Эциклизация в пироглутаминовую кислоту (N-конец), гамма-карбоксилирование
ГлицинГли или ГN- миристоилирование (N-конец), N-ацетилирование (N-конец)
ГистидинЕго или HФосфорилирование
ИзолейцинИль или я
ЛейцинЛей или Л
ЛизинЛис или Кацетилирование , убиквитилирование , СУМОилирование , метилирование , гидроксилирование, приводящее к аллизину , спонтанное образование изопептидной связи
МетионинМет или МN-ацетилирование (N-конец), N-связанное убиквитинирование, окисление до сульфоксида или сульфона
ФенилаланинPhe или F
ПролинЗа или Пгидроксилирование
СеринСер или СФосфорилирование , O-связанное гликозилирование , N-ацетилирование (N-конец)
ТреонинТр или ТФосфорилирование , O-связанное гликозилирование , N-ацетилирование (N-конец)
триптофанТрп или Вмоно- или диокисление, образование кинуренина , триптофана, триптофилхинона
ТирозинТир или Yсульфатирование , фосфорилирование
ВалинВал или ВN-ацетилирование (N-конец)

Базы данных и инструменты

Блок-схема процесса и источники данных для прогнозирования PTM. [26]

Последовательности белков содержат мотивы последовательностей, которые распознаются модифицирующими ферментами и которые могут быть задокументированы или предсказаны в базах данных PTM. С большим количеством обнаруженных различных модификаций возникает необходимость документировать такого рода информацию в базах данных. Информацию PTM можно собирать экспериментальным путем или предсказывать на основе высококачественных, вручную отобранных данных. Было создано множество баз данных, часто с упором на определенные таксономические группы (например, человеческие белки) или другие особенности.

Список ресурсов

  • PhosphoSitePlus [27] – База данных всеобъемлющей информации и инструментов для изучения посттрансляционной модификации белков млекопитающих.
  • ProteomeScout [28] – База данных белков и посттрансляционных модификаций, полученных экспериментально.
  • База данных справочных данных по белкам человека [28] – База данных для различных модификаций и понимания различных белков, их класса и функции/процесса, связанных с белками, вызывающими заболевания.
  • PROSITE [29] – База данных шаблонов консенсуса для многих типов PTM, включая сайты
  • RESID [30] – База данных, состоящая из коллекции аннотаций и структур для PTM.
  • iPTMnet [31] – База данных, которая объединяет информацию PTM из нескольких баз знаний и результаты интеллектуального анализа текста.
  • dbPTM [26] – База данных, которая показывает различные PTM и информацию об их химических компонентах/структурах, а также частоту участков модификации аминокислот.
  • В Uniprot имеется информация PTM, хотя она может быть менее полной, чем в более специализированных базах данных.
    Влияние ПТМ на функцию белков и физиологические процессы. [32]
  • База данных O-GlcNAc [33] [34] — тщательно подобранная база данных по O-GlcNAcylation белков, содержащая ссылки на более чем 14 000 записей белков и 10 000 сайтов O -GlcNAc.

Инструменты

Список программного обеспечения для визуализации белков и их ПТМ

  • PyMOL [35] – вводит набор общих PTM в модели белков
  • УДИВИТЕЛЬНЫЙ [36] – Интерактивный инструмент для изучения роли полиморфизмов отдельных нуклеотидов в ПТМ
  • Химера [37] – Интерактивная база данных для визуализации молекул

Примеры дел

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Пратт, Шарлотта В .; Воэт, Джудит Г .; Воэт, Дональд (2006). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 9780471214953. OCLC  1280801548. Архивировано из оригинала 13 июля 2012 года.
  2. ^ Khoury GA, Baliban RC, Floudas CA (сентябрь 2011 г.). "Статистика посттрансляционных модификаций по всему протеому: частотный анализ и курирование базы данных swiss-prot". Scientific Reports . 1 : 90. Bibcode :2011NatSR...1E..90K. doi :10.1038/srep00090. PMC 3201773 . PMID  22034591. 
  3. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. (2000). "17.6, Посттрансляционные модификации и контроль качества в шероховатом ЭР". Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3136-8.
  4. ^ Далле-Донн I, Альдини G, Карини M, Коломбо R, Росси R, Милзани A (2006). «Карбонилирование белков, клеточная дисфункция и прогрессирование заболеваний». Журнал клеточной и молекулярной медицины . 10 (2): 389–406. doi :10.1111/j.1582-4934.2006.tb00407.x. PMC 3933129. PMID  16796807 . 
  5. ^ Grimsrud PA, Xie H, Griffin TJ, Bernlohr DA (август 2008 г.). «Окислительный стресс и ковалентная модификация белка с биоактивными альдегидами». Журнал биологической химии . 283 (32): 21837–41. doi : 10.1074/jbc.R700019200 . PMC 2494933. PMID  18445586 . 
  6. ^ Gianazza E, Crawford J, Miller I (июль 2007 г.). «Обнаружение окислительных посттрансляционных модификаций в белках». Аминокислоты . 33 (1): 51–6. doi :10.1007/s00726-006-0410-2. PMID  17021655. S2CID  23819101.
  7. ^ Уолш, Кристофер Т. (2006). Посттрансляционная модификация белков: расширение природного инвентаря . Энглвуд: Roberts and Co. Publ. ISBN 9780974707730. : 12–14 
  8. ^ Whiteheart SW, Shenbagamurthi P, Chen L, Cotter RJ, Hart GW и др. (август 1989 г.). "Фактор удлинения мыши 1 альфа (EF-1 альфа) посттрансляционно модифицирован новыми амид-связанными этаноламин-фосфоглицериновыми фрагментами. Добавление этаноламин-фосфоглицерина к определенным остаткам глутаминовой кислоты на EF-1 альфа". Журнал биологической химии . 264 (24): 14334–41. doi : 10.1016/S0021-9258(18)71682-7 . PMID  2569467.
  9. ^ Roy H, Zou SB, Bullwinkle TJ, Wolfe BS, Gilreath MS, Forsyth CJ, Navarre WW, Ibba M (август 2011 г.). «Паралог тРНК-синтетазы PoxA модифицирует фактор удлинения-P с помощью (R)-β-лизина». Nature Chemical Biology . 7 (10): 667–9. doi :10.1038/nchembio.632. PMC 3177975 . PMID  21841797. 
  10. ^ Ali I, Conrad RJ, Verdin E, Ott M (февраль 2018 г.). «Ацетилирование лизина становится глобальным: от эпигенетики до метаболизма и терапии». Chem Rev. 118 ( 3): 1216–1252. doi :10.1021/acs.chemrev.7b00181. PMC 6609103. PMID  29405707 . 
  11. ^ Брэдбери А.Ф., Смит Д.Г. (март 1991 г.). «Амидирование пептидов». Тенденции в биохимических науках . 16 (3): 112–5. doi :10.1016/0968-0004(91)90044-v. PMID  2057999.
  12. ^ Эдде Б., Россье Дж., Ле Каер Ж.П., Дебрюйер Э., Грос Ф., Денуле П. (январь 1990 г.). «Посттрансляционное глутамилирование альфа-тубулина». Наука . 247 (4938): 83–5. Бибкод : 1990Sci...247...83E. дои : 10.1126/science.1967194. ПМИД  1967194.
  13. ^ Walker CS, Shetty RP, Clark K, Kazuko SG, Letsou A, Olivera BM, Bandyopadhyay PK и др. (март 2001 г.). «О потенциальной глобальной роли гамма-карбоксилирования, зависящего от витамина К, в системах животных. Доказательства существования гамма-глутамилкарбоксилазы у дрозофилы». Журнал биологической химии . 276 (11): 7769–74. doi : 10.1074/jbc.M009576200 . PMID  11110799.
  14. ^ abc Chung HS, et al. (январь 2013 г.). «Окислительные посттрансляционные модификации цистеина: возникающая регуляция в сердечно-сосудистой системе». Circulation Research . 112 (2): 382–92. doi :10.1161/CIRCRESAHA.112.268680. PMC 4340704. PMID  23329793 . 
  15. ^ "Конечный продукт расширенного липоксидирования малоновый диальдегид-лизин в старении и долголетии" PMID 33203089 PMC7696601
  16. ^ Jaisson S, Pietrement C, Gillery P (ноябрь 2011 г.). «Продукты, полученные путем карбамилирования: биоактивные соединения и потенциальные биомаркеры при хронической почечной недостаточности и атеросклерозе». Клиническая химия . 57 (11): 1499–505. doi : 10.1373/clinchem.2011.163188 . PMID  21768218.
  17. ^ Kang HJ, Baker EN (апрель 2011 г.). «Внутримолекулярные изопептидные связи: белковые сшивки, созданные для стресса?». Trends in Biochemical Sciences . 36 (4): 229–37. doi :10.1016/j.tibs.2010.09.007. PMID  21055949.
  18. ^ Stark GR, Stein WH, Moore X (1960). «Реакции цианата, присутствующего в водной мочевине, с аминокислотами и белками». J Biol Chem . 235 (11): 3177–3181. doi : 10.1016/S0021-9258(20)81332-5 .
  19. ^ Van G. Wilson (ред.) (2004). Сумоилирование: молекулярная биология и биохимия. Архивировано 09.02.2005 в Wayback Machine . Horizon Bioscience. ISBN 0-9545232-8-8 . 
  20. ^ Малахова ОА, Ян М, Малахов МП, Юань И, Ритчи КДж, Ким КИ, Петерсон ЛФ, Шуай К, Чжан ДЭ (февраль 2003 г.). «ISGylation белка модулирует сигнальный путь JAK-STAT». Гены и развитие . 17 (4): 455–60. doi :10.1101/gad.1056303. PMC 195994. PMID  12600939 . 
  21. ^ Клареског Л., Рённелид Дж., Лундберг К., Падюков Л., Альфредссон Л. (2008). «Иммунитет к цитруллинированным белкам при ревматоидном артрите». Annual Review of Immunology . 26 : 651–75. doi :10.1146/annurev.immunol.26.021607.090244. PMID  18173373.
  22. ^ Бреннан ДФ, Барфорд Д (март 2009). «Элиминирование: посттрансляционная модификация, катализируемая фосфотреонинлиазами». Тенденции в биохимических науках . 34 (3): 108–14. doi :10.1016/j.tibs.2008.11.005. PMID  19233656.
  23. ^ Рабе фон Паппенгейм, Фабиан; Венсен, Мари; Да, Джин; Уранга, Джон; Ирисарри, Икер; де Врис, Ян; Фанк, Лиза-Мария; Мата, Рикардо А.; Титтманн, Кай (апрель 2022 г.). «Широко распространенное распространение ковалентных лизин-цистеиновых окислительно-восстановительных переключателей в белках». Химическая биология природы . 18 (4): 368–375. дои : 10.1038/s41589-021-00966-5 . ПМЦ 8964421 . ПМИД  35165445. 
  24. ^ Khoury GA, Baliban RC, Floudas CA (сентябрь 2011 г.). "Статистика посттрансляционных модификаций по всему протеому: частотный анализ и курирование базы данных swiss-prot". Scientific Reports . 1 (90): 90. Bibcode :2011NatSR...1E..90K. doi :10.1038/srep00090. PMC 3201773 . PMID  22034591. 
  25. ^ "Proteome-Wide Post-Translational Modification Statistics". selene.princeton.edu . Архивировано из оригинала 2012-08-30 . Получено 2011-07-22 .
  26. ^ ab Lee TY, Huang HD, Hung JH, Huang HY, Yang YS, Wang TH (январь 2006 г.). "dbPTM: информационный репозиторий посттрансляционной модификации белков". Nucleic Acids Research . 34 (выпуск базы данных): D622-7. doi :10.1093/nar/gkj083. PMC 1347446. PMID  16381945 . 
  27. ^ Hornbeck PV, Zhang B, Murray B, Kornhauser JM, Latham V, Skrzypek E (январь 2015 г.). "PhosphoSitePlus, 2014: мутации, PTM и перекалибровки". Nucleic Acids Research . 43 (выпуск базы данных): D512-20. doi :10.1093/nar/gku1267. PMC 4383998. PMID  25514926 . 
  28. ^ ab Goel R, Harsha HC, Pandey A, Prasad TS (февраль 2012 г.). «Справочная база данных белков человека и протеинпедия человека как ресурсы для анализа фосфопротеома». Molecular BioSystems . 8 (2): 453–63. doi :10.1039/c1mb05340j. PMC 3804167 . PMID  22159132. 
  29. ^ Сигрист CJ, Черутти Л, де Кастро Э, Лангендейк-Женево PS, Буллиард V, Байрох А, Хуло Н (январь 2010 г.). «PROSITE, база данных белковых доменов для функциональной характеристики и аннотации». Исследования нуклеиновых кислот . 38 (Проблема с базой данных): D161-6. дои : 10.1093/nar/gkp885. ПМК 2808866 . ПМИД  19858104. 
  30. ^ Garavelli JS (январь 2003 г.). «База данных модификаций белков RESID: разработки 2003 г.». Nucleic Acids Research . 31 (1): 499–501. doi :10.1093/nar/gkg038. PMC 165485. PMID  12520062 . 
  31. ^ Huang H, Arighi CN, Ross KE, Ren J, Li G, Chen SC, Wang Q, Cowart J, Vijay-Shanker K, Wu CH (январь 2018 г.). «iPTMnet: интегрированный ресурс для обнаружения сетей посттрансляционной модификации белков». Nucleic Acids Research . 46 (1): D542–D550. doi :10.1093/nar/gkx1104. PMC 5753337. PMID  2914561 . 
  32. ^ Аудагнотто М, Даль Пераро М (2017-03-31). «Инструменты прогнозирования in silico и молекулярное моделирование». Computational and Structural Biotechnology Journal . 15 : 307–319. doi :10.1016/j.csbj.2017.03.004. PMC 5397102. PMID  28458782 . 
  33. ^ Вульф-Фуэнтес Э., Берендт Р.Р., Массман Л., Даннер Л., Малард Ф., Вора Дж., Кахсай Р., Оливье-Ван Стихелен С. (январь 2021 г.). «База данных и метаанализ человеческого O-GlcNAcome». Научные данные . 8 (1): 25. Бибкод : 2021NatSD...8...25W. дои : 10.1038/s41597-021-00810-4. ПМЦ 7820439 . ПМИД  33479245. 
  34. ^ Malard F, Wulff-Fuentes E, Berendt RR, Didier G, Olivier-Van Stichelen S (июль 2021 г.). «Автоматизация и самообслуживание каталога O-GlcNAcome: интеллектуальная научная база данных». База данных (Оксфорд) . 2021 г .: 1. doi :10.1093/database/baab039. PMC 8288053. PMID  34279596 . 
  35. ^ Warnecke A, Sandalova T, Achour A, Harris RA (ноябрь 2014 г.). "PyTMs: полезный плагин PyMOL для моделирования распространенных посттрансляционных модификаций". BMC Bioinformatics . 15 (1): 370. doi : 10.1186/s12859-014-0370-6 . PMC 4256751 . PMID  25431162. 
  36. ^ Yang Y, Peng X, Ying P, Tian J, Li J, Ke J, Zhu Y, Gong Y, Zou D, Yang N, Wang X, Mei S, Zhong R, Gong J, Chang J, Miao X (январь 2019 г.). "AWESOME: база данных однонуклеотидных полиморфизмов, влияющих на посттрансляционные модификации белков". Nucleic Acids Research . 47 (D1): D874–D880. doi :10.1093/nar/gky821. PMC 6324025. PMID 30215764  . 
  37. ^ Morris JH, Huang CC, Babbitt PC, Ferrin TE (сентябрь 2007 г.). "structureViz: связывание Cytoscape и UCSF Chimera". Биоинформатика . 23 (17): 2345–7. doi : 10.1093/bioinformatics/btm329 . PMID  17623706.
  38. ^ "1tp8 - Протеопедия, жизнь в 3D". www.proteopedia.org .
  • dbPTM - база данных посттрансляционных модификаций белков

( копия Wayback Machine )

  • Список посттрансляционных модификаций в ExPASy
  • Просмотр доменов SCOP по PTM — из базы данных dcGO
  • Статистика каждой посттрансляционной модификации из базы данных Swiss-Prot

(копия Wayback Machine)

  • AutoMotif Server — вычислительный протокол для идентификации посттрансляционных модификаций в белковых последовательностях
  • Функциональный анализ сайт-специфического фосфорилирования целевого белка в клетках
  • Обнаружение посттрансляционных модификаций после высокоточного MSMS
  • Обзор и описание наиболее часто используемых методов обнаружения посттрансляционных модификаций
Получено с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Пост-переводческая_модификация&oldid=1253643735"