Post -translasjonell modifikasjon - Post-translational modification

Post-translasjonell modifikasjon av insulin . På toppen oversetter ribosomet en mRNA-sekvens til et protein, insulin og passerer proteinet gjennom det endoplasmatiske retikulum, der det kuttes, brettes og holdes i form av disulfid (-SS-) bindinger. Deretter passerer proteinet gjennom golgi -apparatet , hvor det pakkes inn i en vesikkel. I vesikelen blir flere deler kuttet av, og det blir til modent insulin.

Post-translasjonell modifikasjon ( PTM ) refererer til den kovalente og generelt enzymatiske modifikasjonen av proteiner etter proteinbiosyntese . Proteiner syntetiseres ved at ribosomer oversetter mRNA til polypeptidkjeder, som deretter kan gjennomgå PTM for å danne det modne proteinproduktet. PTM er viktige komponenter i cellesignalering , som for eksempel når prohormoner omdannes til hormoner .

Post-translasjonelle modifikasjoner kan forekomme på aminosyre- sidekjeder , eller ved proteinets C- eller N- terminale ender. De kan utvide det kjemiske repertoaret til de 20 standard aminosyrene ved å modifisere en eksisterende funksjonell gruppe eller introdusere en ny som fosfat . Fosforylering er en veldig vanlig mekanisme for å regulere aktiviteten til enzymer og er den vanligste posttranslasjonelle modifikasjonen. Mange eukaryote og prokaryote proteiner har også karbohydratmolekyler festet til seg i en prosess som kalles glykosylering , noe som kan fremme proteinfolding og forbedre stabiliteten samt betjene regulatoriske funksjoner. Festing av lipidmolekyler , kjent som lipidering , retter seg ofte mot et protein eller en del av et protein festet til cellemembranen .

Andre former for posttranslasjonell modifikasjon består av spaltning av peptidbindinger , som ved behandling av et propeptid til en moden form eller fjerning av initiator- metioninresten . Dannelsen av disulfidbindinger fra cysteinrester kan også bli referert til som en post-translasjonell modifikasjon. For eksempel, peptid hormon insulin skjæres to ganger etter disulfidbindinger dannes, og et propeptid fjernes fra midten av kjeden; det resulterende proteinet består av to polypeptidkjeder forbundet med disulfidbindinger.

Noen typer post-translasjonelle modifikasjoner er konsekvenser av oksidativt stress . Karbonylering er et eksempel som retter seg mot det modifiserte proteinet for nedbrytning og kan resultere i dannelse av proteinaggregater. Spesifikke aminosyremodifikasjoner kan brukes som biomarkører som indikerer oksidativ skade.

Nettsteder som ofte gjennomgår post-translasjonell modifikasjon er de som har en funksjonell gruppe som kan tjene som en nukleofil i reaksjonen: hydroksylgruppene av serin , treonin og tyrosin ; de amin former av lysin , arginin og histidin ; den tiolat- anionet av cystein ; de karboksylater av aspartat og glutamat ; og N- og C-terminalene. I tillegg, selv om amidet av asparagin er en svak nukleofil, kan det fungere som et festepunkt for glykaner . Sjeldnere modifikasjoner kan forekomme ved oksyderte metioniner og på noen metylener i sidekjeder.

Post-translasjonell modifikasjon av proteiner kan påvises eksperimentelt ved en rekke teknikker, inkludert massespektrometri , Eastern blotting og Western blotting . Ytterligere metoder er gitt i de eksterne koblingene.

PTM som involverer tillegg av funksjonelle grupper

Tilsetning av et enzym in vivo

Hydrofobe grupper for membranlokalisering

• myristoylering (en type acylering ), festing av myristat , en C- ₁₄ mettede syren
• palmitoylation (en type acylering), festing av palmitat , en C- ₁₆ mettede syren
• isoprenylering eller prenylering , tillegg av en isoprenoid gruppe (f.eks. farnesol og geranylgeraniol )
  • farnesylering
  • geranylgeranylering
• glypiering , glykosylfosfatidylinositol (GPI) ankerformasjon via en amidbinding til C-terminal hale

Kofaktorer for forbedret enzymatisk aktivitet

• lipoylation (en type acylering), festing av en lipoate (C- ₈ ) funksjonell gruppe
• flavindel ( FMN eller FAD ) kan være kovalent festet
• hem C -feste via tioeterbindinger med cystein
• fosfopantetinylering , tilsetning av en 4'-fosfopantetinylgruppe fra koenzym A , som i fettsyre, polyketid, ikke-ribosomalt peptid og leucinbiosyntese
• retinylidene Schiff-basedannelse

Modifikasjoner av oversettelsesfaktorer

• diftamiddannelse (på et histidin som finnes i eEF2 )
• etanolamin fosfoglyserol vedlegg (på glutamat funnet i eEF1α )
• hypusindannelse (på konservert lysin av eIF5A (eukaryotisk) og aIF5A (arkeisk))
• beta-lysintilsetning på et konservert lysin av forlengelsesfaktor P (EFP) i de fleste bakterier. EFP er en homolog med eIF5A (eukaryotisk) og aIF5A (arkaeal) (se ovenfor).

Mindre kjemiske grupper

• acylering , f.eks. O -acylering ( estere ), N -acylering ( amider ), S -acylering ( tioestere )
  • acetylering , tilsetning av en acetylgruppe , enten ved N-enden av proteinet eller ved lysinrester . Se også histone acetylering . Det motsatte kalles deacetylering .
  • formylering
• alkylering , tilsetning av en alkylgruppe , f.eks. metyl , etyl
  • metylering tilsetning av en metylgruppe , vanligvis ved lysin- eller argininrester . Det motsatte kalles demetylering .
• amidasjon ved C-ende. Dannet ved oksidativ dissosiasjon av en C-terminal Gly-rest.
• amid- bindingsdannelse
  • aminosyre tilsetning
    • arginylering , et tRNA -medierings tillegg
    • polyglutamylering , kovalent kobling av glutaminsyrerester til N-terminalen til tubulin og noen andre proteiner. (Se tubulin polyglutamylase )
    • polyglykylering , kovalent kobling av en til mer enn 40 glycinrester til tubulin C-terminale hale
• butyrylasjon
• gamma-karboksylering avhengig av vitamin K
• glykosylering , tilsetning av en glykosylgruppe til enten arginin , asparagin , cystein , hydroksylysin , serin , treonin , tyrosin eller tryptofan, noe som resulterer i et glykoprotein . Skilt fra glykering , som regnes som en ikke -enzymatisk binding av sukker.
  • O -GlcNAc , tilsetning av N -acetylglukosamin til serin- eller treoninrester i en β -glykosidbinding
  • polysialylering, tilsetning av polysialinsyre , PSA, til NCAM
• malonylering
• hydroksylering : tilsetning av et oksygenatom til sidekjeden til en Pro- eller Lys-rest
• jodering : tilsetning av et jodatom til den aromatiske ringen av en tyrosinrest (f.eks. i tyroglobulin )
• nukleotidtilsetning som ADP-ribosylering
• fosfatester ( O -koblet) eller fosforamidat ( N -koblet) formasjon
  • fosforylering , tilsetning av en fosfatgruppe , vanligvis til serin , treonin og tyrosin ( O -koblet) eller histidin ( N -koblet)
  • adenylylering , tilsetning av en adenylyldel , vanligvis til tyrosin ( O -koblet), eller histidin og lysin ( N -koblet)
  • uridylylering, tilsetning av en uridylylgruppe (dvs. uridinmonofosfat , UMP), vanligvis til tyrosin
• propionylering
• dannelse av pyroglutamat
• S -glutationylering
• S -nitrosylering
• S -sulfenylation ( aka S -sulphenylation), reversible kovalente tilsetning av et oksygenatom til den tiol -gruppen av en cystein- rest
• S -sulfinylation, normalt irreversible kovalente tilsetning av to oksygenatomer til tiol -gruppen av en cystein- rest
• S -sulfonylation, normalt irreversible kovalente tilsetning av tre oksygenatomer og tiol- gruppen av en cystein- rest, noe som resulterer i dannelsen av en cysteinsyre rest
• succinyleringstilsetning av en succinylgruppe til lysin
• sulfasjon , tilsetning av en sulfatgruppe til et tyrosin .

Ikke-enzymatiske tilsetninger in vivo

• glykering , tilsetning av et sukkermolekyl til et protein uten kontrollerende virkning av et enzym.
• karbamylering tillegg av Isocyanic acid til et proteins N-terminal eller sidekjeden til Lys.
• karbonylering tilsetning av karbonmonoksid til andre organiske/uorganiske forbindelser.
• spontan isopeptidbindingsdannelse , som finnes i mange overflateproteiner av grampositive bakterier .

Ikke-enzymatiske tilsetninger in vitro

• biotinylering : kovalent binding av en biotindel ved bruk av et biotinyleringsreagens, vanligvis med det formål å merke et protein.
• karbamylering: tilsetning av isocyaninsyre til et proteins N-terminal eller sidekjeden av Lys- eller Cys-rester, vanligvis som følge av eksponering for ureaoppløsninger.
• oksidasjon: tilsetning av ett eller flere oksygenatomer til en følsom sidekjede, hovedsakelig av Met, Trp, His eller Cys rester. Dannelse av disulfidbindinger mellom Cys -rester.
• pegylering : kovalent festing av polyetylenglykol (PEG) ved bruk av et pegyleringsreagens, vanligvis til N-terminalen eller sidekjedene til Lys-rester. Pegylering brukes for å forbedre effekten av proteinlegemidler.

Andre proteiner eller peptider

• ISGylation, den kovalente koblingen til ISG15- proteinet (interferon-stimulert gen 15)
• SUMOylering , den kovalente koblingen til SUMO-proteinet (Small Ubiquitin-related MOdifier)
• ubiquitination , den kovalente koblingen til proteinet ubiquitin.
• neddylering , den kovalente koblingen til Nedd
• pupylering , den kovalente koblingen til det prokaryote ubiquitinlignende proteinet

Kjemisk modifikasjon av aminosyrer

• citrullination , eller deimination , konvertering av arginin til citrullin
• deamidering , konvertering av glutamin til glutaminsyre eller asparagin til asparaginsyre
• eliminering , omdannelse til et alken ved beta-eliminering av fosfotreonin og fosfoserin , eller dehydrering av treonin og serin

Strukturelle endringer

• disulfidbroer , den kovalente binding av to cystein aminosyrer
• proteolytisk spaltning , spaltning av et protein ved en peptidbinding
• isoaspartatdannelse , via sykliseringen av asparagin- eller asparaginsyre-aminosyrerester
• rasemisering
  • av serin ved protein-serin-epimerase
  • av alanin i dermorfin , en frosk opioid peptid
  • av metionin i deltorfin , også et froskopioidpeptid
• proteinspleising , selvkatalytisk fjerning av inteiner som er analoge med mRNA-prosessering

Statistikk

Vanlige PTM -er etter frekvens

I 2011 er statistikk for hver posttranslasjonell modifikasjon eksperimentelt og antatt oppdaget blitt samlet ved hjelp av proteomdekkende informasjon fra Swiss-Prot-databasen. De 10 vanligste eksperimentelt funnet modifikasjonene var som følger:

Vanlige PTM -er etter rester

Noen vanlige post-translasjonelle modifikasjoner av spesifikke aminosyrerester er vist nedenfor. Modifikasjoner skjer på sidekjeden med mindre annet er angitt.

Databaser og verktøy

Flytdiagram over prosessen og datakildene for å forutsi PTM -er.

Proteinsekvenser inneholder sekvensmotiver som gjenkjennes ved å modifisere enzymer, og som kan dokumenteres eller forutsies i PTM -databaser. Ettersom det store antallet forskjellige modifikasjoner blir oppdaget, er det behov for å dokumentere denne typen informasjon i databaser. PTM-informasjon kan samles inn på eksperimentelle måter eller forutsies fra høy kvalitet, manuelt kuraterte data. Mange databaser er opprettet, ofte med fokus på visse taksonomiske grupper (f.eks. Humane proteiner) eller andre funksjoner.

Liste over ressurser

• PhosphoSitePlus -En database med omfattende informasjon og verktøy for studier av pattedyrprotein etter translasjonell modifikasjon
• ProteomeScout -En database med proteiner og post-translasjonelle modifikasjoner eksperimentelt
• Human Protein Reference Database - En database for forskjellige modifikasjoner og forstå forskjellige proteiner, deres klasse og funksjon/prosess relatert til sykdomsfremkallende proteiner
• PROSITE - En database med konsensusmønstre for mange typer PTM -er, inkludert nettsteder
• Protein Information Resource (PIR) - En database for å skaffe en samling av merknader og strukturer for PTM -er.
• dbPTM - En database som viser forskjellige PTM -er og informasjon om deres kjemiske komponenter/strukturer og en frekvens for aminosyremodifisert sted
• Uniprot har PTM -informasjon, selv om den kan være mindre omfattende enn i mer spesialiserte databaser.
  

  Effekt av PTM på proteinfunksjon og fysiologiske prosesser.
• Den O -GlcNAc Database - En utvalgt database for protein O-GlcNAcylation og å registrere mer enn 14 000 protein ringer og 10 000 O -GlcNAc områder.

Verktøy

Liste over programvare for visualisering av proteiner og deres PTM -er

• PyMOL - introdusere et sett med vanlige PTM -er i proteinmodeller
• FANTASTISK - Interaktivt verktøy for å se rollen til enkeltnukleotidpolymorfier for PTM -er
• Chimera - Interaktiv database for å visualisere molekyler

Eksempler på saker

• Spaltning og dannelse av disulfidbroer under produksjon av insulin
• PTM av histoner som regulering av transkripsjon : RNA -polymerasekontroll ved kromatinstruktur
• PTM av RNA -polymerase II som regulering av transkripsjon
• Spaltning av polypeptidkjeder som avgjørende for lektinspesifisitet

Avhengighet

Et viktig trekk ved avhengighet er dens utholdenhet. Den vanedannende fenotypen kan være livslang, med behov for narkotika og tilbakefall, selv etter flere tiår med avholdenhet. Post-translasjonelle modifikasjoner bestående av epigenetiske endringer av histonproteinhaler i bestemte områder av hjernen ser ut til å være avgjørende for det molekylære grunnlaget for avhengighet . Når spesielle post-translasjonelle epigenetiske modifikasjoner inntreffer, ser det ut til å være langvarige "molekylære arr" som kan forklare vedvarende avhengighet.

Sigarettrøykere (omtrent 21% av den amerikanske befolkningen i 2013)) er vanligvis avhengige av nikotin . Etter 7 dager med nikotinbehandling av mus, ble posttranslasjonelle modifikasjoner bestående av acetylering av både histon H3 og histon H4 økt ved FosB- promotoren i kjernen accumbens i hjernen, noe som forårsaket en økning på 61% i FosB-uttrykk. Dette øker også ekspresjon av spleisevariant Delta FosB . I kjernen accumbens i hjernen fungerer Delta FosB som en "vedvarende molekylær bryter" og "hovedkontrollprotein" i utviklingen av en avhengighet . Etter 15 dager med nikotinbehandling av rotter, skjer post-translasjonell modifikasjon bestående av 3 ganger økt acetylering av histon H4 på promotoren til dopamin D1-reseptor (DRD1) -genet i rottenes prefrontale cortex (PFC). Dette forårsaket økt dopaminfrigivelse i den PFC- belønningsrelaterte hjerneområdet, og slik økt dopaminfrigivelse blir anerkjent som en viktig faktor for avhengighet.

Omtrent 7% av den amerikanske befolkningen er avhengig av alkohol . Hos rotter eksponert for alkohol i opptil 5 dager var det en økning i posttranslasjonell modifikasjon av histon 3 lysin 9 acetylering, H3K9ac , i pronociceptinpromotoren i hjernens amygdala- kompleks. Denne acetyleringen er et aktiveringsmerke for pronociceptin. Nociceptin/nociceptin opioidreseptorsystemet er involvert i forsterkende eller kondisjonerende effekter av alkohol.

Kokainavhengighet forekommer hos omtrent 0,5% av den amerikanske befolkningen. Gjentatt kokain administrering i mus induserer post-translasjonelle modifikasjoner, inkludert hyperacetylation av histon-3 (H3) eller histon-4 (H4) på 1,696 gener i en hjerne belønning region [i nucleus accumbens ] og deacetylering ved 206 gener. Minst 45 gener, vist i tidligere studier for å være oppregulert i nucleus accumbens av mus etter kronisk kokaineksponering, ble funnet å være assosiert med post-translasjonell hyperacetylering av histon H3 eller histon H4. Mange av disse individuelle genene er direkte relatert til aspekter av avhengighet forbundet med kokaineksponering.

I 2013 trengte 22,7 millioner mennesker i alderen 12 år eller eldre i USA behandling for et ulovlig problem med bruk av narkotika eller alkohol (8,6 prosent av personene 12 år eller eldre).

Se også

• Proteinmålretting
• Post-translasjonell regulering

Referanser

Eksterne linker

• dbPTM - database over endringer i protein etter translasjon

( Wayback Machine -kopi)

• Liste over posttranslasjonale modifikasjoner i ExPASy
• Bla gjennom SCOP -domener etter PTM - fra dcGO -databasen
• Statistikk for hver post-translasjonell modifikasjon fra Swiss-Prot-databasen

(Wayback -maskin)

• AutoMotif Server - En beregningsprotokoll for identifisering av post -translasjonelle modifikasjoner i proteinsekvenser
• Funksjonelle analyser for stedsspesifikk fosforylering av et målprotein i celler
• Påvisning av post-translasjonelle modifikasjoner etter MSMS med høy nøyaktighet
• Oversikt og beskrivelse av vanlige gjenkjenningsteknikker etter translasjonell modifikasjon