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【修饰专栏预告】打开研究新视角 ——蛋白质翻译后修饰(PTM)

中科新生命质谱TotalSolution 2020-05-21 13:32:05

翻译后修饰之于蛋白质,就像七十二变之于孙悟空,蛋白的翻译后修饰发挥着极其重要的生物功能和作用,具备着生命研究和探索的巨大潜力。无论是在医学领域还是农林领域,文章发表还是基金申请,近年来关于翻译后修饰的研究都呈现出井喷之势。


质谱技术是翻译后修饰研究的最重要工具,而中科新生命作为质谱应用领域的领航者,十多年来一直致力于通过质谱分析技术来推动学术界对生命奥秘的探索,以及促进相关成果在疾病诊断治疗、生物工业等方面的转化应用,在翻译后修饰组学的分析方面积累丰富的经验。


为了推动翻译后修饰的研究,分享翻译后修饰的分析经验,在接下来的几周内,我们将开启一个全新版块《打开研究新视角——蛋白的翻译后修饰组学研究》。我们将借助本公众号与各个领域的老师一起,打开生物的翻译后修饰研究视角。


核酸、蛋白质和代谢物是构成生物体的最主要物质基础,对应着生物学研究的三大层次:基因与转录水平、蛋白表达与功能水平、代谢调控与表型水平。其中,蛋白质是承上启下的核心物质:(1)蛋白质是基因编码的功能实现者;(2)蛋白质掌控代谢过程。


蛋白质层面的研究角度,最常规关注的就是蛋白表达量的改变。然而,仅仅依靠表达水平调控这一项技能,蛋白质还无法高效地承担重任,因为:(1)信号反馈→基因转录启动→→RNA翻译成蛋白→蛋白经后加工成熟,这个过程太漫长,无法满足生物体对内外环境变化的快速响应;(2)如果只是单纯启动基因表达和翻译,意味着蛋白质的表达量是不断积累的,而蛋白的更新以及很多调控机制,还需要一些途径来减少蛋白质的表达;(3)蛋白表达量高低的调控形式过于单一,而生物过程是一个复杂的调控体系,因此仅仅依靠蛋白表达这一种形式难以满足如此复杂的运行要求。

 

  • 大自然的解决方案是什么呢?

在赋予蛋白质如此重要的生物职能的同时,大自然也为它配备了强力的工具。蛋白质的翻译后修饰(Protein post-translational modification, PTM)可以说是最为重要的技能。蛋白翻译后修饰(Post-translational modification, PTM)是蛋白大分子和代谢物小分子的完美结合。蛋白翻译后修饰是指在蛋白质的氨基酸侧链上共价结合化学小分子基团,例如我们最了解的磷酸化修饰:


在酶和非酶条件下,不同蛋白质可以结合各种小分子基团。目前已知的PTM的种类超过400种,几乎所有的蛋白质均可发生PTM。并且,同一个蛋白质还可同时具有多种PTM。由此,大自然赋予的这个技能,指数级地扩增了蛋白质的种类


更重要的是,蛋白发生PTM后,会显著改变蛋白的理化性质,改变蛋白的构象,从而直接改变蛋白的结合能力与功能。因此,即使蛋白的表达水平没有改变,但如果翻译后修饰的状态发生改变,蛋白的功能也会显著变化。最终,PTM实现了蛋白质功能的指数级扩增大家可以想象,如果孙悟空不会七十二变,只会挥舞金箍棒,显然只是个普通的有暴力倾向的猴子,而不是无所不能的美猴王。PTM对蛋白功能影响是多样性的,表现在以下三个方面:(1)同一蛋白质,即使只发生一种类型的修饰,也会赋予其多种功能;(2)同一个蛋白的同一种翻译后修饰,如果会发生在不同的氨基酸上,其功能也不同;(3)同一蛋白还可能具有不同的修饰,其功能和参与的生物过程就更为复杂。下图以intermediate filament protein为例(NatureReviews Molecular Cell Biology 15, 163–177 (2014))。

 IF蛋白的磷酸化修饰与功能


IF蛋白的各种修饰与功能

 

  • 目前对翻译后修饰功能的认识有哪些?

对PTM功能的认识,主要集中在磷酸化、乙酰化、泛素化、糖基化等少数的修饰。即使仅仅是对这几类修饰的初步了解,就已经极大地扩展了我们对生物过程与调控机制的认知:


磷酸化:参与几乎所有的生物过程。除了作为信号转导的核心机制,还参与线粒体功能、细胞骨架调控、细胞膜蛋白功能、转录调控等,在细胞的生长分裂、迁移、分泌、死亡、代谢等生物过程均由磷酸化参与。是当之无愧的全能王,各领域的研究均有涉及。


泛素化:蛋白发生泛素化后,其命运通常是被降解,是下调蛋白表达的主要机制。真核生物内,理论上所有蛋白都可能通过该机制被降解,因此泛素化也几乎参与真核生物所有的生物过程调控。近年来,在肿瘤、免疫领域大热,在植物胁迫领域也逐渐受到关注。


乙酰化:最广为人之的功能是组蛋白修饰。事实上,乙酰化广泛地发生在各种非组蛋白上,非组蛋白上发生的乙酰化修饰的数量和发挥的功能,不逊于磷酸化修饰。非组蛋白的乙酰化修饰广泛分布于细胞浆、线粒体等细胞器中。包括参与信号转导、能量代谢、细胞骨架、转录因子活性等。乙酰化是表观调控、代谢调控的研究热点。


糖基化:是最为复杂的翻译后修饰。糖蛋白上具有的糖链分子,通常是由多个单糖组成的复杂糖。不同的单糖单元再通过不同的链接形式和顺序,构成了不同的糖链分子。糖基化多发生于膜上表达的蛋白,对于大分子识别非常重要。但是由于其复杂性,目前的研究手段和功能认识都比较有限,在免疫、肿瘤诊断相关研究中关注的最多。


甲基化修饰:最为熟知的是DNA以及组蛋白的甲基化修饰,主要参与表观调控。近年来越来越多的研究发现,甲基化修饰也发生物非组蛋白上,在很多信号转导过程中起重要作用。

 

除了上述几种常规修饰,越来越多的小众修饰也逐渐成为研究热点,如O-GlcNAc单糖基化修饰、SUMO化修饰、氧化相关修饰、ADP-Ribosylation修饰、succinylation等酰化修饰,等等。正是因为相关的研究尚不多,所以很多研究非常具有开创新,经常荣登CNS殿堂


PTM是重要的生物功能调控机制,其重要性不亚于转录和蛋白表达调控,并且其复杂性远胜。即使对于几种常规修饰的认识,目前的研究也只是揭其冰山一角,还有很多的功能以及很多修饰的种类,都有待进一步的探索。因此,PTM可以被称为生物研究的金矿。例如,基于我们对磷酸化功能的深入认识,激酶及磷酸化相关信号通路已经成为肿瘤治疗的最重要靶点。对于具体的各研究领域而言,将PTM作为研究切入点,可能会为我们打开一扇全新的大门。

 

  • 翻译后修饰如何研究?

研究者对于翻译后修饰的探索和认识,很大程度上得益于质谱技术的发展。因为,蛋白质研究最常用的工具——抗体,其较难精确区分蛋白质上结合的小分子的差异,以及较难对蛋白质上发生修饰的氨基酸位置进行精确定位。更不用说,除了模式动物以外,大部分物种的表达的蛋白目前都缺乏有效的抗体,而翻译后修饰分析的抗体更无从谈起。同时,每一种蛋白的每一种修饰的每一个修饰位点,都需要对应的一种抗体来进行分析,其适用的范围非常有限,分析成本太高,也难以应用于系统性层面上的研究。


相比而言,质谱不仅能够对特定的蛋白的特定修饰进行精确测定,还能够实现大规模组学水平上的研究与发掘。因为翻译后修饰与未发生翻译后修饰,以及不同的修饰类型之间,最大的差异就在于氨基酸侧链的化学基团的变化,这直接导致蛋白(肽段)分子量的相应改变。而分子量分析是质谱的拿手好戏。


  • 我们能为大家做什么?

该板块首先将从一些目前研究界已有一定了解的修饰类型开始介绍,依次包括:磷酸化、泛素化、乙酰化修饰、甲基化等。

我们会对这些修饰组学研究的方方面面进行分享,主要包括:

    各种修饰在医学、农林等不同领域的研究进展

    基于经典文献解析,分享修饰的研究设计套路

    修饰组的分析技术方法、数据介绍

    常见问题总结与解答

同时,我们非常希望感兴趣的老师积极参与,共同探讨。

 

  • 第一期预告(主题:磷酸化研究意义篇,4月11日,周三见):

磷酸化修饰可以说是目前被认为最重要的一种翻译后修饰,不仅是其功能和意义已经被广泛认知,更重要的是,磷酸化已经实现了从基础研究到造福人类的应用转化的终极目标。因此,我们首先为大家分享磷酸化修饰,同时为后续其他修饰的介绍奠定基础。在第一期中,我们将对磷酸化修饰对生物过程的调控作用以及研究热点进行汇总,形成一个整体的认识。在此基础上,我们接下来的几期将对磷酸化修饰的研究从不同的角度进行细致的解析。



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