Posttranslationale Modifikation - Post-translational modification
Posttranslationale Modifikation ( PTM ) bezeichnet die kovalente und im Allgemeinen enzymatische Modifikation von Proteinen nach der Proteinbiosynthese . Proteine werden durch Ribosomen synthetisiert , die mRNA in Polypeptidketten übersetzen , die dann PTM durchlaufen können, um das reife Proteinprodukt zu bilden. PTMs sind wichtige Komponenten in der Zellsignalisierung , beispielsweise bei der Umwandlung von Prohormonen in Hormone .
Post-translationale Modifikationen können auf die auftreten Aminosäureseitenketten oder an der der Protein C- oder N- Termini. Sie können das chemische Repertoire der 20 Standard- Aminosäuren erweitern, indem sie eine bestehende funktionelle Gruppe modifizieren oder eine neue wie Phosphat einführen . Phosphorylierung ist ein sehr verbreiteter Mechanismus zur Regulierung der Aktivität von Enzymen und ist die häufigste posttranslationale Modifikation. Viele eukaryontische und prokaryontische Proteine haben auch Kohlenhydratmoleküle , die in einem als Glykosylierung bezeichneten Prozess an sie gebunden sind , was die Proteinfaltung fördern und die Stabilität verbessern kann sowie regulatorische Funktionen erfüllt. Die Anlagerung von Lipidmolekülen , bekannt als Lipidierung , zielt oft auf ein Protein oder einen Teil eines Proteins ab, das an der Zellmembran befestigt ist .
Andere Formen der posttranslationalen Modifikation bestehen darin, Peptidbindungen zu spalten , wie bei der Verarbeitung eines Propeptids zu einer reifen Form oder dem Entfernen des Initiator- Methioninrests . Die Bildung von Disulfidbrücken aus Cysteinresten kann auch als posttranslationale Modifikation bezeichnet werden. Zum Beispiel kann das Peptidhormon Insulin wird geschnitten zweimal nach Disulfidbindungen gebildet werden, und ein Pro - Peptid wird aus der Mitte der Kette entfernt werden ; das resultierende Protein besteht aus zwei Polypeptidketten, die durch Disulfidbrücken verbunden sind.
Einige Arten posttranslationaler Modifikation sind Folgen von oxidativem Stress . Carbonylierung ist ein Beispiel, das auf das modifizierte Protein zum Abbau abzielt und zur Bildung von Proteinaggregaten führen kann. Spezifische Aminosäuremodifikationen können als Biomarker verwendet werden, die auf oxidative Schäden hinweisen.
Stellen, die häufig posttranslational modifiziert werden, sind solche, die eine funktionelle Gruppe aufweisen, die bei der Reaktion als Nukleophil dienen kann : die Hydroxylgruppen von Serin , Threonin und Tyrosin ; die Aminformen von Lysin , Arginin und Histidin ; die Thiolat - Anion von Cystein ; die Carboxylate von Aspartat und Glutamat ; und die N- und C-Termini. Obwohl das Amid von Asparagin ein schwaches Nukleophil ist, kann es außerdem als Bindungspunkt für Glykane dienen . Seltenere Modifikationen können an oxidierten Methioninen und an einigen Methylenen in Seitenketten auftreten.
Die posttranslationale Modifikation von Proteinen kann experimentell durch eine Vielzahl von Techniken nachgewiesen werden, einschließlich Massenspektrometrie , Eastern-Blotting und Western-Blotting . Weitere Methoden werden in den Abschnitten zu externen Links bereitgestellt.
PTMs mit Addition von funktionellen Gruppen
Zugabe durch ein Enzym in vivo
Hydrophobe Gruppen zur Membranlokalisierung
- Myristoylierung (eine Art der Acylierung ), Anlagerung von Myristat , einer gesättigten C 14 -Säure
- Palmitoylierung (eine Art der Acylierung), Anlagerung von Palmitat , einer gesättigten C 16 -Säure
- Isoprenylierung oder Prenylierung , die Addition einer Isoprenoidgruppe (zB Farnesol und Geranylgeraniol )
- Glypiation , Glycosylphosphatidylinositol (GPI) Ankerbildung über eine Amidbindung zum C-terminalen Schwanz
Cofaktoren für erhöhte enzymatische Aktivität
- Lipoylierung (eine Art der Acylierung), Anlagerung einer Lipoat- (C 8 )-funktionellen Gruppe
- Flavin- Einheit ( FMN oder FAD ) kann kovalent gebunden sein
- Häm-C- Anlagerung über Thioether- Bindungen mit Cysteinen
- Phosphopantetheinylierung , die Addition einer 4'-Phoshopantetheinyl-Einheit von Coenzym A , wie bei der Fettsäure-, Polyketid-, nicht-ribosomalen Peptid- und Leucin-Biosynthese
- Retinyliden- Schiff-Base- Bildung
Modifikationen von Translationsfaktoren
- Diphthamid- Bildung (auf ein Histidin, das in eEF2 gefunden wird )
- Ethanolamin-Phosphoglycerin- Anheftung (auf Glutamat in eEF1α gefunden )
- Hypusinbildung (auf konserviertem Lysin von eIF5A (eukaryotisch) und aIF5A ( archaeal ))
- Beta-Lysin- Addition an ein konserviertes Lysin des Elongationsfaktors P (EFP) in den meisten Bakterien. EFP ist ein Homolog zu eIF5A (eukaryotisch) und aIF5A ( archaeal ) (siehe oben).
Kleinere chemische Gruppen
-
Acylierung , zB O- Acylierung ( Ester ), N- Acylierung ( Amide ), S- Acylierung ( Thioester )
- Acetylierung , die Addition einer Acetylgruppe , entweder am N-Terminus des Proteins oder an Lysinresten . Siehe auch Histon - Acetylierung . Das Gegenteil wird als Deacetylierung bezeichnet .
- Formylierung
-
Alkylierung , Addition einer Alkylgruppe , zB Methyl , Ethyl
- Methylierung die Addition einer Methylgruppe , üblicherweise an Lysin- oder Argininreste . Die Umkehrung wird als Demethylierung bezeichnet .
- Amidierung am C-Terminus. Gebildet durch oxidative Dissoziation eines C-terminalen Gly-Rests.
-
Bildung von
Amidbindungen
-
Aminosäure zusätzlich
- Arginylierung , eine tRNA- Mediationsaddition
- Polyglutamylierung , kovalente Bindung von Glutaminsäureresten an den N-Terminus von Tubulin und einigen anderen Proteinen. (Siehe Tubulin-Polyglutamylase )
- Polyglycylierung , kovalente Bindung von einem bis mehr als 40 Glycinresten an den Tubulin C-terminalen Schwanz
-
Aminosäure zusätzlich
- Butyrylierung
- Gamma-Carboxylierung abhängig von Vitamin K
-
Glykosylierung , die Addition einer Glykosylgruppe an Arginin , Asparagin , Cystein , Hydroxylysin , Serin , Threonin , Tyrosin oder Tryptophan, was zu einem Glykoprotein führt . Unterscheiden von Glykation , die als nichtenzymatische Anlagerung von Zuckern angesehen wird.
- O- GlcNAc , Addition von N- Acetylglucosamin an Serin- oder Threoninreste in einer β-glycosidischen Bindung
- Polysialylierung, Zugabe von Polysialinsäure , PSA, zu NCAM
- Malonylierung
- Hydroxylierung : Addition eines Sauerstoffatoms an die Seitenkette eines Pro- oder Lys-Restes
- Jodierung : Anlagerung eines Jodatoms an den aromatischen Ring eines Tyrosinrestes (zB in Thyroglobulin )
- Nukleotidaddition wie ADP-Ribosylierung
-
Phosphatester ( O- verknüpft) oder Phosphoramidat ( N- verknüpft) Bildung
- Phosphorylierung , die Addition einer Phosphatgruppe , normalerweise an Serin , Threonin und Tyrosin ( O- gebunden) oder Histidin ( N- gebunden)
- Adenylylierung , die Addition einer Adenylyl- Einheit, normalerweise an Tyrosin ( O- gebunden) oder Histidin und Lysin ( N- gebunden)
- Uridylylierung, die Addition einer Uridylylgruppe ( zB Uridinmonophosphat , UMP), normalerweise an Tyrosin
- Propionylierung
- Pyroglutamat Bildung
- S- Glutathionylierung
- S- Nitrosylierung
- S -sulfenylation ( aka S -sulphenylation), reversible kovalente Addition von einem Sauerstoffatom an die Thiol - Gruppe eines Cystein - Rest
- S -sulfinylation, normalerweise irreversible kovalente Addition von zwei Sauerstoffatome an die Thiol - Gruppe eines Cystein - Rest
- S -sulfonylation, normalerweise irreversible kovalente Addition von drei Sauerstoffatome an die Thiol - Gruppe eines Cystein - Rest, was zur Bildung eines Cysteinsäure Rückstandes
- Succinylierung Addition einer Succinylgruppe an Lysin
- Sulfatierung , die Addition einer Sulfatgruppe an ein Tyrosin .
Nicht-enzymatische Zusätze in vivo
- Glykation , die Anlagerung eines Zuckermoleküls an ein Protein ohne die kontrollierende Wirkung eines Enzyms.
- Carbamylierung die Addition von Isocyansäure an den N-Terminus eines Proteins oder die Seitenkette von Lys.
- Carbonylierung die Anlagerung von Kohlenmonoxid an andere organische/anorganische Verbindungen.
- spontane Isopeptidbindungsbildung , wie sie in vielen Oberflächenproteinen grampositiver Bakterien gefunden wird .
Nicht-enzymatische Zusätze in vitro
- Biotinylierung : kovalente Bindung einer Biotineinheit unter Verwendung eines Biotinylierungsreagenzes, typischerweise zum Zweck der Markierung eines Proteins.
- Carbamylierung: die Addition von Isocyansäure an den N-Terminus eines Proteins oder die Seitenkette von Lys- oder Cys-Resten, die typischerweise durch die Exposition gegenüber Harnstofflösungen entsteht.
- Oxidation: Addition eines oder mehrerer Sauerstoffatome an eine anfällige Seitenkette, hauptsächlich von Met-, Trp-, His- oder Cys-Resten. Bildung von Disulfidbrücken zwischen Cys-Resten.
- Pegylierung : kovalente Bindung von Polyethylenglycol (PEG) unter Verwendung eines Pegylierungsreagenzes, typischerweise an den N-Terminus oder die Seitenketten von Lys-Resten. Die Pegylierung wird verwendet, um die Wirksamkeit von Proteinpharmazeutika zu verbessern.
Andere Proteine oder Peptide
- ISGylierung, die kovalente Verknüpfung mit dem ISG15- Protein (Interferon-Stimulated Gene 15)
- SUMOylierung , die kovalente Bindung an das SUMO-Protein (Small Ubiquitin-related MODifier)
- Ubiquitinierung , die kovalente Bindung an das Protein Ubiquitin.
- Neddylierung , die kovalente Bindung an Nedd
- Pupylierung , die kovalente Bindung an das prokaryontische Ubiquitin-ähnliche Protein
Chemische Modifikation von Aminosäuren
- Citrullinierung oder Deimination , die Umwandlung von Arginin in Citrullin
- Desamidierung , die Umwandlung von Glutamin in Glutaminsäure oder Asparagin in Asparaginsäure
- Eliminylierung , die Umwandlung in ein Alken durch Beta-Eliminierung von Phosphothreonin und Phosphoserin oder Dehydratisierung von Threonin und Serin
Strukturelle Veränderungen
- Disulfidbrücken , die kovalente Verknüpfung zweier Cystein- Aminosäuren
- proteolytische Spaltung , Spaltung eines Proteins an einer Peptidbindung
- Isoaspartat- Bildung, über die Cyclisierung von Asparagin- oder Asparaginsäure-Aminosäureresten
-
Racemisierung
- von Serin durch Protein-Serin-Epimerase
- von Alanin in Dermorphin , einem Frosch- Opioid-Peptid
- von Methionin in Deltorphin , auch ein Frosch-Opioid-Peptid
- Protein-Spleißen , selbstkatalytische Entfernung von Inteins analog zur mRNA-Prozessierung
Statistiken
Häufige PTMs nach Frequenz
Im Jahr 2011 wurden Statistiken zu jeder experimentell und mutmaßlich nachgewiesenen posttranslationalen Modifikation mit proteomweiten Informationen aus der Swiss-Prot-Datenbank erstellt. Die 10 am häufigsten experimentell gefundenen Modifikationen waren wie folgt:
Frequenz | Änderung |
---|---|
58383 | Phosphorylierung |
6751 | Acetylierung |
5526 | N-verknüpfte Glykosylierung |
2844 | Amidierung |
1619 | Hydroxylierung |
1523 | Methylierung |
1133 | O-verknüpfte Glykosylierung |
878 | Ubiquitylierung |
826 | Pyrrolidoncarbonsäure |
504 | Sulfatierung |
Übliche PTMs nach Rückständen
Einige übliche posttranslationale Modifikationen an spezifischen Aminosäureresten sind unten gezeigt. Modifikationen treten an der Seitenkette auf, sofern nicht anders angegeben.
Datenbanken und Tools
Proteinsequenzen enthalten Sequenzmotive, die von modifizierenden Enzymen erkannt werden und die in PTM-Datenbanken dokumentiert oder vorhergesagt werden können. Angesichts der großen Zahl unterschiedlicher Modifikationen, die entdeckt werden, besteht die Notwendigkeit, diese Art von Informationen in Datenbanken zu dokumentieren. PTM-Informationen können experimentell gesammelt oder aus hochwertigen, manuell kuratierten Daten vorhergesagt werden. Zahlreiche Datenbanken wurden erstellt, oft mit einem Fokus auf bestimmte taxonomische Gruppen (zB menschliche Proteine) oder andere Merkmale.
Liste der Ressourcen
- PhosphoSitePlus – Eine Datenbank mit umfassenden Informationen und Werkzeugen für das Studium der posttranslationalen Modifikation von Säugetierproteinen
- ProteomeScout – Eine experimentelle Datenbank von Proteinen und posttranslationalen Modifikationen
- Human Protein Reference Database – Eine Datenbank für verschiedene Modifikationen und zum Verständnis verschiedener Proteine, ihrer Klasse und Funktion/Prozess im Zusammenhang mit krankheitserregenden Proteinen
- PROSITE – Eine Datenbank mit Konsensmustern für viele Arten von PTMs, einschließlich Websites
- Protein Information Resource (PIR) – Eine Datenbank zum Erfassen einer Sammlung von Anmerkungen und Strukturen für PTMs.
- dbPTM – Eine Datenbank, die verschiedene PTMs und Informationen zu ihren chemischen Komponenten/Strukturen und eine Häufigkeit für Aminosäure-modifizierte Stellen anzeigt
- Uniprot verfügt über PTM-Informationen, obwohl diese möglicherweise weniger umfassend sind als in spezialisierteren Datenbanken.
- Die O- GlcNAc-Datenbank – Eine kuratierte Datenbank für die Protein-O-GlcNAcylierung, die mehr als 14.000 Proteineinträge und 10.000 O- GlcNAc-Stellen referenziert.
Werkzeuge
Liste der Software zur Visualisierung von Proteinen und deren PTMs
- PyMOL – Einführung einer Reihe gängiger PTMs in Proteinmodelle
- FANTASTISCH – Interaktives Tool, um die Rolle von Einzelnukleotid-Polymorphismen für PTMs zu sehen
- Chimera – Interaktive Datenbank zur Visualisierung von Molekülen
Fallbeispiele
- Spaltung und Bildung von Disulfidbrücken bei der Insulinproduktion
- PTM von Histonen als Transkriptionsregulation : RNA-Polymerasekontrolle durch Chromatinstruktur
- PTM der RNA-Polymerase II als Regulation der Transkription
- Spaltung von Polypeptidketten als entscheidend für die Lektinspezifität
Sucht
Ein wesentliches Merkmal der Sucht ist ihre Persistenz. Der Suchtphänotyp kann lebenslang bestehen, wobei auch nach jahrzehntelanger Abstinenz Drogensucht und Rückfälle auftreten. Posttranslationale Modifikationen, die aus epigenetischen Veränderungen von Histon- Proteinschwänzen in bestimmten Regionen des Gehirns bestehen, scheinen für die molekulare Grundlage von Suchterkrankungen entscheidend zu sein . Sobald bestimmte posttranslationale epigenetische Modifikationen auftreten, scheinen sie lang anhaltende "molekulare Narben" zu sein, die für die Persistenz von Süchten verantwortlich sein können.
Zigarettenraucher (etwa 21% der US-Bevölkerung im Jahr 2013)) sind in der Regel nikotinsüchtig . Nach 7 Tagen Nikotinbehandlung von Mäusen waren die posttranslationalen Modifikationen, bestehend aus der Acetylierung von Histon H3 und Histon H4 , am FosB- Promotor im Nucleus accumbens des Gehirns erhöht, was eine 61%ige Erhöhung der FosB-Expression verursachte. Dadurch wird auch die Expression der Spleißvariante Delta FosB erhöht . Im Nucleus accumbens des Gehirns fungiert Delta FosB als "anhaltender molekularer Schalter" und "Hauptkontrollprotein" bei der Entwicklung einer Sucht . In ähnlicher Weise tritt nach 15-tägiger Nikotinbehandlung von Ratten die posttranslationale Modifikation, bestehend aus einer 3-fach erhöhten Acetylierung von Histon H4, am Promotor des Dopamin-D1-Rezeptor- (DRD1)-Gens im präfrontalen Kortex (PFC) der Ratten auf. Dies verursachte eine erhöhte Dopaminfreisetzung in der PFC- Belohnungs-bezogenen Gehirnregion, und eine solche erhöhte Dopaminfreisetzung wird als ein wichtiger Faktor für die Sucht erkannt.
Ungefähr 7% der US-Bevölkerung sind alkoholabhängig . Bei Ratten, die bis zu 5 Tage Alkohol ausgesetzt waren, kam es zu einer Zunahme der posttranslationalen Modifikation der Histon-3-Lysin-9-Acetylierung, H3K9ac , im Pronociceptin- Promotor im Amygdala- Komplex des Gehirns . Diese Acetylierung ist ein Aktivierungsmarker für Pronociceptin. Das Nociceptin/Nociceptin- Opioidrezeptorsystem ist an der verstärkenden oder konditionierenden Wirkung von Alkohol beteiligt.
Kokainsucht tritt bei etwa 0,5% der US-Bevölkerung auf. Wiederholte Kokainverabreichung bei Mäusen induziert posttranslationale Modifikationen, einschließlich Hyperacetylierung von Histon 3 (H3) oder Histon 4 (H4) bei 1.696 Genen in einer Belohnungsregion des Gehirns [dem Nucleus accumbens ] und Deacetylierung bei 206 Genen. Mindestens 45 Gene, von denen in früheren Studien gezeigt wurde, dass sie im Nucleus accumbens von Mäusen nach chronischer Kokain-Exposition hochreguliert sind , wurden mit einer posttranslationalen Hyperacetylierung von Histon H3 oder Histon H4 in Verbindung gebracht. Viele dieser individuellen Gene stehen in direktem Zusammenhang mit Aspekten der Sucht, die mit Kokainexposition verbunden sind.
Im Jahr 2013 benötigten 22,7 Millionen Personen ab 12 Jahren in den Vereinigten Staaten eine Behandlung wegen eines Problems des illegalen Drogen- oder Alkoholkonsums (8,6 Prozent der Personen ab 12 Jahren).
Siehe auch
Verweise
Externe Links
- Liste der posttranslationalen Modifikationen in ExPASy
- Durchsuchen Sie SCOP-Domains nach PTM — aus der dcGO- Datenbank
- Statistik jeder posttranslationalen Modifikation aus der Swiss-Prot-Datenbank
(Wayback-Maschine)
- AutoMotif Server - Ein Computerprotokoll zur Identifizierung posttranslationaler Modifikationen in Proteinsequenzen
- Funktionsanalysen zur ortsspezifischen Phosphorylierung eines Zielproteins in Zellen
- Erkennung posttranslationaler Modifikationen nach hochgenauer MSMS
- Überblick und Beschreibung häufig verwendeter Techniken zur Erkennung von posttranslationalen Modifikationen