Posttranslační úprava - Post-translational modification

Posttranslační modifikace inzulínu . V horní části ribozom překládá sekvenci mRNA na protein, inzulín a prochází proteinem endoplazmatickým retikulem, kde je rozříznut, složen a udržován ve tvaru disulfidovými (-SS-) vazbami. Poté protein prochází golgiho aparátem , kde je zabalen do váčku. Ve vezikule je odříznuto více částí a přemění se na zralý inzulín.

Posttranslační modifikace ( PTM ) se týká kovalentní a obecně enzymatické modifikace proteinů po biosyntéze proteinů . Proteiny jsou syntetizovány ribozomy překládajícími mRNA do polypeptidových řetězců, které pak mohou podstoupit PTM za vzniku produktu zralého proteinu. PTM jsou důležitou součástí buněčné signalizace , například když jsou prohormony přeměněny na hormony .

Posttranslační modifikace mohou nastat na postranních řetězcích aminokyselin nebo na C- nebo N- koncích proteinu . Mohou rozšířit chemický repertoár 20 standardních aminokyselin úpravou stávající funkční skupiny nebo zavedením nové, jako je fosfát . Fosforylace je velmi běžným mechanismem pro regulaci aktivity enzymů a je nejběžnější posttranslační modifikací. Mnoho eukaryotických a prokaryotických proteinů má také molekuly uhlohydrátů, které jsou k nim připojeny v procesu zvaném glykosylace , který může podporovat skládání proteinů a zlepšovat stabilitu a také sloužit regulačním funkcím. Připojení lipidových molekul, známé jako lipidace , se často zaměřuje na protein nebo část proteinu připojeného k buněčné membráně .

Jiné formy posttranslační modifikace sestávají ze štěpení peptidových vazeb , jako při zpracování propeptidu na zralou formu nebo odstranění iniciátorového methioninového zbytku. Tvorba disulfidových vazeb z cysteinových zbytků může být také označována jako posttranslační modifikace. Například peptidový hormonový inzulín se dvakrát vytvoří po vytvoření disulfidových vazeb a propeptid se odstraní ze středu řetězce; výsledný protein se skládá ze dvou polypeptidových řetězců spojených disulfidovými vazbami.

Některé typy posttranslačních modifikací jsou důsledky oxidačního stresu . Karbonylace je jedním příkladem, který se zaměřuje na degradovaný modifikovaný protein a může vést k tvorbě proteinových agregátů. Modifikace specifických aminokyselin mohou být použity jako biomarkery indikující oxidační poškození.

Místa, která často procházejí posttranslační modifikací, jsou ta, která mají funkční skupinu, která může při reakci sloužit jako nukleofil : hydroxylové skupiny serinu , threoninu a tyrosinu ; že aminové formy lysinu , argininu a histidinu ; thiolát anion z cysteinu ; jsou karboxyláty z aspartátu a glutamátu ; a N- a C-konce. Kromě toho, i když se amid o asparaginu je slabým nukleofilem, může sloužit jako připojovací bod pro glykanů . Vzácnější modifikace mohou nastat u oxidovaných methioninů a u některých methylenů v postranních řetězcích.

Posttranslační modifikaci proteinů lze experimentálně detekovat řadou technik, včetně hmotnostní spektrometrie , Eastern blottingu a westernového přenosu . Další metody jsou uvedeny v sekcích externích odkazů.

PTM zahrnující přidání funkčních skupin

Adice enzymem in vivo

Hydrofobní skupiny pro membránovou lokalizaci

Kofaktory pro zvýšenou enzymatickou aktivitu

Úpravy překladových faktorů

Menší chemické skupiny

  • butyrylace
  • gama-karboxylace závislá na vitaminu K.
  • glykosylace , přidání glykosylové skupiny buď k argininu , asparaginu , cysteinu , hydroxylysinu , serinu , threoninu , tyrosinu nebo tryptofanu za vzniku glykoproteinu . Odlišuje se od glykace , která je považována za neenzymatické připojení cukrů.
    • O -GlcNAc , přidání N -acetylglukosaminu k serinovým nebo threoninovým zbytkům v β -glykosidické vazbě
    • polysialylace, přidání kyseliny polysialové , PSA, do NCAM
  • malonylace
  • hydroxylace : přidání atomu kyslíku do postranního řetězce zbytku Pro nebo Lys
  • jodace : přidání atomu jodu do aromatického kruhu zbytku tyrosinu (např. v thyroglobulinu )
  • přidání nukleotidů, jako je ADP-ribosylace
  • tvorba esteru fosfátu ( O -vázaný) nebo fosforamidátový ( N -spojený)
  • propionylace
  • tvorba pyroglutamátu
  • S -glutathionylace
  • S -nitrosylace
  • S -sulfenylace ( aka S -sulfenylace), reverzibilní kovalentní přidání jednoho atomu kyslíku do thiolové skupiny cysteinového zbytku
  • S -sulfinylace, normálně nevratně kovalentní přidání dvou atomů kyslíku do thiolové skupiny cysteinového zbytku
  • S -sulfonylace, normálně nevratně kovalentní přidání tří atomů kyslíku do thiolové skupiny cysteinového zbytku, což vede ke vzniku zbytku kyseliny cysteinové
  • sukcinylační přidání sukcinylové skupiny k lysinu
  • sulfatace , přidání sulfátové skupiny k tyrosinu .

    • Neenzymatické přídavky in vivo

    Neenzymatické přídavky in vitro

    • biotinylace : kovalentní připojení biotinové části pomocí biotinylačního činidla, typicky za účelem značení proteinu.
    • karbamylace: přidání kyseliny izokyanové na N-konec proteinu nebo na postranní řetězec Lys nebo Cys zbytků, typicky vyplývající z expozice roztokům močoviny.
    • oxidace: přidání jednoho nebo více atomů kyslíku k citlivému postrannímu řetězci, zejména zbytků Met, Trp, His nebo Cys. Tvorba disulfidových vazeb mezi Cys zbytky.
    • pegylace : kovalentní připojení polyethylenglykolu (PEG) pomocí pegylačního činidla, typicky k N-konci nebo postranním řetězcům Lys zbytků. Pegylace se používá ke zlepšení účinnosti proteinových léčiv.

    Jiné proteiny nebo peptidy

    Chemická modifikace aminokyselin

    Strukturální změny

    Statistika

    Běžné PTM podle frekvence

    V roce 2011 byly statistiky každé posttranslační modifikace experimentálně a domněle detekované sestaveny pomocí informací o proteomu z databáze Swiss-Prot. 10 nejběžnějších experimentálně nalezených úprav bylo následujících:

    Frekvence Úpravy
    58383 Fosforylace
    6751 Acetylace
    5526 N-vázaná glykosylace
    2844 Amidace
    1619 Hydroxylace
    1523 Methylace
    1133 O-vázaná glykosylace
    878 Všudypřítomnost
    826 Pyrrolidon karboxylová kyselina
    504 Sulfatace

    Běžné PTM podle zbytků

    Některé běžné posttranslační modifikace specifických aminokyselinových zbytků jsou uvedeny níže. K úpravám dochází na postranním řetězci, pokud není uvedeno jinak.

    Aminokyselina Zkratka. Úpravy
    Alanine Ala N-acetylace (N-konec)
    Arginin Arg deiminace na citrulin , methylace
    Asparagin Asn deamidace na Asp nebo iso (Asp), N-vázaná glykosylace
    Kyselina asparagová Asp izomerizace na kyselinu isoasparagovou
    Cystein Cys tvorba disulfidových vazeb, oxidace na kyselinu sulfenovou, sulfinovou nebo sulfonovou, palmitoylace , N-acetylace (N-konec), S-nitrosylace
    Glutamin Gln cyklizaci na pyroglutamovou kyselinu (N-konec), deamidace na glutamová kyselina nebo isopeptidové vazby tvorby na lysinu prostřednictvím transglutaminázy
    Kyselina glutamová Glu cyklizace na kyselinu pyroglutamovou (N-konec), gama-karboxylace
    Glycin Gly N- myristoylace (N-konec), N-acetylace (N-konec)
    Histidin Jeho Fosforylace
    Isoleucin Ile
    Leucin Leu
    Lysin Lys acetylace , ubikvitinace , SUMOylace , methylace , hydroxylace
    Methionin Se setkal N-acetylace (N-konec), N-vázaná ubikvitinace, oxidace na sulfoxid nebo sulfon
    Fenylalanin Phe
    Prolin Pro hydroxylace
    Serine Ser Fosforylace , O-vázaná glykosylace , N-acetylace (N-konec)
    Threonin Thr Fosforylace , O-vázaná glykosylace , N-acetylace (N-konec)
    Tryptofan Trp mono- nebo di-oxidace, tvorba kynureninu , tryptofanu tryptophylchinonu
    Tyrosin Tyr sulfatace , fosforylace
    Valine Val N-acetylace (N-konec)

    Databáze a nástroje

    Vývojový diagram procesu a zdroje dat k predikci PTM.

    Proteinové sekvence obsahují sekvenční motivy, které jsou rozpoznávány modifikujícími enzymy a které lze dokumentovat nebo predikovat v databázích PTM. S velkým počtem různých modifikací, které byly objeveny, existuje potřeba dokumentovat tento druh informací v databázích. Informace PTM lze shromažďovat experimentálně nebo je lze předpovědět z vysoce kvalitních, ručně upravených dat. Byla vytvořena řada databází, často se zaměřením na určité taxonomické skupiny (např. Lidské proteiny) nebo jiné funkce.

    Seznam zdrojů

    • PhosphoSitePlus -databáze komplexních informací a nástrojů pro studium posttranslační modifikace proteinů savců
    • ProteomeScout -databáze proteinů a posttranslačních modifikací experimentálně
    • Referenční databáze lidských proteinů - databáze pro různé modifikace a porozumění různým proteinům, jejich třídě a funkci/procesu souvisejícím s proteiny způsobujícími nemoci
    • PROSITE - Databáze vzorců konsensu pro mnoho typů PTM včetně webů
    • Protein Information Resource (PIR) - Databáze pro získání sbírky anotací a struktur pro PTM.
    • dbPTM - databáze, která zobrazuje různé PTM a informace týkající se jejich chemických složek/struktur a frekvence pro místo modifikované aminokyselinami
    • Uniprot má informace PTM, i když to může být méně komplexní než ve specializovanějších databázích.
      Účinek PTM na funkci bílkovin a fyziologické procesy.
    • Databáze O -GlcNAc -kurátorová databáze pro protein O -GlcNAcylace a odkazující na více než 14 000 záznamů proteinů a 10 000 míst O -GlcNAc.

    Nástroje

    Seznam softwaru pro vizualizaci proteinů a jejich PTM

    • PyMOL - zavádí sadu běžných PTM do proteinových modelů
    • ÚŽASNÉ - Interaktivní nástroj k poznání role jednonukleotidových polymorfismů pro PTM
    • Chimera - interaktivní databáze pro vizualizaci molekul

    Příklady případů

    Závislost

    Hlavním rysem závislosti je její přetrvávání. Návykový fenotyp může být celoživotní, s touhou po drogách a relapsem, ke kterému dochází i po desetiletích abstinence. Posttranslační modifikace sestávající z epigenetických změn histonových proteinových ocasů ve specifických oblastech mozku se zdají být klíčové pro molekulární základ závislostí . Jakmile dojde k určitým posttranslačním epigenetickým modifikacím, jeví se jako dlouhotrvající „molekulární jizvy“, které mohou vysvětlovat přetrvávání závislostí.

    Kuřáci cigaret (asi 21% americké populace v roce 2013)) jsou obvykle závislí na nikotinu . Po 7 dnech nikotinu léčení myší, posttranslační modifikace, sestávající z acetylace jak histonu H3 a histonu H4 byla zvýšena u FosB promotor v nucleus accumbens mozku, což způsobuje zvýšení 61% v FosB výrazu. To také zvyšuje expresi spojovací varianty Delta FosB . V nucleus accumbens mozku, Delta FosB funguje jako „trvalé molekulární spínač“ a „master kontrolní protein“ v rozvoji závislosti . Podobně po 15 dnech léčby potkanů ​​nikotinem dochází k posttranslační modifikaci skládající se z trojnásobně zvýšené acetylace histonu H4 na promotoru genu dopaminového receptoru D1 (DRD1) v prefrontální kůře (PFC) potkanů. To způsobilo zvýšené uvolňování dopaminu v mozkové oblasti související s odměnou PFC a takové zvýšené uvolňování dopaminu je považováno za důležitý faktor závislosti.

    Asi 7% americké populace je závislých na alkoholu . U potkanů ​​vystavených alkoholu po dobu až 5 dnů došlo ke zvýšení posttranslační modifikace acetylace histonu 3 lysinu 9, H3K9ac , v promotoru pronociceptinu v komplexu mozkové amygdaly . Tato acetylace je aktivačním znakem pronociceptinu. Systém opiátových receptorů nociceptin/nociceptin se podílí na posilujících nebo kondicionačních účincích alkoholu.

    Závislost na kokainu se vyskytuje asi u 0,5% americké populace. Opakované podávání kokainu u myší indukuje posttranslační modifikace zahrnující hyperacetylaci histonu 3 (H3) nebo histonu 4 (H4) na 1 696 genů v jedné oblasti odměny mozku [ nucleus accumbens ] a deacetylaci na 206 genech. Bylo zjištěno, že nejméně 45 genů, u nichž bylo v předchozích studiích ukázáno, že jsou upregulované v nucleus accumbens myší po chronické expozici kokainu, souvisí s posttranslační hyperacetylací histonu H3 nebo histonu H4. Mnoho z těchto jednotlivých genů přímo souvisí s aspekty závislosti spojené s expozicí kokainu.

    V roce 2013 potřebovalo 22,7 milionu osob ve věku 12 let nebo starších ve Spojených státech léčbu problému s nezákonnými drogami nebo alkoholem (8,6 procenta osob ve věku 12 let nebo starších).

    Viz také

    Reference

    externí odkazy

    ( Kopie stroje Wayback )

    (Wayback Machine)