蛋白质修饰之蛋白质标签添加详解

前言

在之前的讨论中，我们已经详细了解了蛋白质修饰中的功能团添加。接下来，本文将深入探讨蛋白质标签添加领域中的两个关键类型：泛素化和SUMO化。

我们将详细解释这两种修饰的定义、它们在生物体内的添加过程，以及它们在细胞功能中的具体作用和实例。这将帮助我们更好地理解这些修饰如何在细胞调控中发挥关键作用。

01 蛋白质标签添加含义

蛋白质标签添加是蛋白质翻译后修饰的四大类型之一，涉及多种修饰方式，这些方式通过将小蛋白标签共价连接到目标蛋白质上，从而改变其功能。其中，泛素化和SUMO化是两种极为著名的蛋白质标签添加修饰类型。

02 泛素化

2.1 泛素化定义

泛素化涉及将小蛋白泛素（ubiquitin）附加到靶蛋白质的赖氨酸残基上，或者在某些情况下，附加到蛋白质的N-末端。这种修饰对蛋白质的稳定性、降解、细胞定位以及功能都有重要影响。泛素化可以是单泛素化（一个泛素分子被添加）或多泛素化（多个泛素分子被添加形成链）。

2.2 泛素化过程

泛素化修饰涉及泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3的一系列反应。

泛素与E1连接活化

在ATP供能的情况下，酶E1粘附在泛素分子尾部的Cys残基上，激活泛素。这个步骤需要以ATP作为能量，最终形成一个泛素和泛素活化酶E1之间的硫酯键。

泛素与E2结合

E1将活化后的泛素通过交酯化过程交给泛素结合酶E2。

泛素通过E3与目标蛋白连接

泛素连接酶E3将结合E2的泛素连接到目标蛋白上。当目标蛋白上已经存在泛素时，E3酶仍然参与后续泛素分子的添加，形成多泛素链。E3酶的外形就像一个夹子，靶蛋白连接在中间的空隙内。酶的左侧结构域决定靶蛋白的特异性识别，右侧结构域定位E2酶以转移泛素分子。

2.3 具体实例

p53是一种重要的肿瘤抑制蛋白，其稳定性和活性受到严格调控。泛素化在p53的调控中扮演了关键角色。

p53的泛素化与转录抑制和出核

p53的泛素化与p53介导的转录抑制和p53出核是相关的。当p53被泛素化修饰后，其转录活性可能会受到抑制，并且p53可能会被从细胞核输出到细胞质中。

p53的多泛素化与失稳

p53的多泛素化与其失稳是相关的。多泛素化修饰通常会导致p53被蛋白酶体降解，从而降低其细胞内水平。

Mdm2介导的p53 C端泛素化

Mdm2是一种含RING指结构域的蛋白，可以发挥E3泛素-蛋白连接酶活性。Mdm2能够介导p53的C端泛素化，这对于p53的出核是必不可少的。

p53-泛素融合蛋白的定位

p53-泛素融合蛋白主要定位在细胞质中，这提示泛素化可能会引起蛋白的NES（nuclear export sequence）序列暴露出来，继而被CRM1（一种核输出调控因子）识别并从细胞核输出到细胞质中。

03 SUMO化

3.1 SUMO化定义

SUMO化（小泛素样修饰物化）涉及将小泛素样修饰物（SUMO）附加到蛋白质的特定赖氨酸残基上。SUMO是一类小蛋白，它们与泛素相似但结构和功能上有所不同。SUMO化在调控蛋白质的稳定性、亚细胞定位、转录调控和DNA损伤响应等方面起着重要作用。

3.2 SUMO化过程

SUMO化的生物化学反应过程与泛素化类似，涉及三个主要步骤和相关酶类，E3酶在这一过程中至关重要，因为它决定了SUMO化的特异性和靶标选择。

SUMO激活酶（E1）

在ATP水解提供能量的前提下，腺苷化的SUMO与E1活化酶（SAE1/SAE2）的半胱氨酸残基相连，形成高能硫脂键，从而被激活。

SUMO结合酶（E2）

激活的SUMO从E1传递到E2结合酶（Ubc9），与Ubc9位点半胱氨酸93位残基相连，形成SUMO-E2中间体。

SUMO连接酶（E3）

在E3连接酶的作用下，SUMO的甘氨酸与底物的赖氨酸侧链结合，形成异肽键，从而完成SUMO化修饰。

3.2 具体例子

血管内皮生长因子受体2（VEGFR2）是一种重要的受体酪氨酸激酶，在血管生成和肿瘤发展中发挥关键作用。VEGFR2的SUMO化是一个具体的例子，展示了SUMO化如何影响蛋白质的功能和定位。

实验设置

研究人员使用野生型内皮细胞（WT EC）和表达KDR-SUMO1的内皮细胞进行实验。在KDR-SUMO1细胞中，VEGFR2被SUMO1修饰。

观察结果

通过荧光显微镜观察，研究人员发现VEGFR2在KDR-SUMO1细胞中的定位发生了变化。与WT EC相比，VEGFR2在KDR-SUMO1细胞中显示出更强的胞浆分布，特别是在高尔基体周围的积累。

功能影响

VEGFR2的SUMO化促进了其在高尔基体的积累，这可能影响蛋白质的运输和功能，如其在细胞信号传导中的角色。这种改变在药物靶向和治疗策略的研究中具有潜在的重要性。

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