蛋白翻译后修饰：生命活动的精细调控者

人类基因组包含约2万到2.5万个蛋白质编码基因。然而，人类体内的蛋白质种类却远多于基因数量，估计在20万到200万之间。从基因到mRNA再到蛋白质，多样性的产生是一个多层次、多机制的过程。这些机制包括基因水平的变异（如突变、融合、重复）、转录水平的调控（如选择性剪接、转录起始位点的选择、转录终止位点的选择、非编码RNA的调控）以及翻译后修饰（如磷酸化、泛素化、乙酰化、糖基化、脂质化、氧化修饰）。这些机制相互协作，极大地丰富了蛋白质的结构和功能多样性，从而支持了生物体的复杂生理功能和适应能力。

一、蛋白翻译后修饰的定义与概述

蛋白翻译后修饰是指在蛋白质合成后，通过共价键连接的方式在氨基酸残基上添加各种化学基团，或者对蛋白质进行剪切、折叠等加工过程，从而改变蛋白质的结构、稳定性、活性、定位以及与其他分子相互作用的能力。这些修饰过程通常发生在细胞质、内质网、高尔基体等细胞器中，由一系列高度特异性的酶来催化完成。目前已知的蛋白翻译后修饰类型繁多，包括磷酸化、泛素化、乙酰化、甲基化、糖基化、泛素样蛋白修饰、脂质化、氧化修饰等。每种修饰都有独特的其生物学意义和作用机制，它们相互协作，形成了一个复杂而精细的调控网络，精确地调控着蛋白质的功能和细胞的生理活动。

人类蛋白质组中PTM总览

二、常见的蛋白翻译后修饰类型及其功能

（一）磷酸化（Phosphorylation）

磷酸化是蛋白质最常见的翻译后修饰之一，主要发生在丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）和酪氨酸（Tyr）残基上。磷酸化修饰通常由蛋白激酶催化，通过将 ATP 分子上的磷酸基团转移到特定的氨基酸残基上，从而改变蛋白质的结构和功能。磷酸化修饰在细胞信号转导中起着核心作用，它可以调节蛋白质的活性、稳定性、亚细胞定位以及与其他蛋白质的相互作用。例如，在细胞生长、分化、凋亡、代谢调节等过程中，许多关键的信号通路依赖于蛋白质的磷酸化修饰来传递和放大信号。当细胞外信号分子（如激素、生长因子等）与细胞表面受体结合后，会激活一系列的蛋白激酶级联反应，通过磷酸化修饰将信号从受体传递到细胞内，最终导致细胞内靶蛋白的活性改变，引发相应的细胞反应。此外，磷酸化修饰还参与基因表达调控，一些转录因子在磷酸化后能够结合到 DNA 上，调节基因的转录活性。作为研究最广泛的翻译后修饰类型之一，磷酸化的检测抗体现在也比较常见。

（二）泛素化（Ubiquitination）

泛素化修饰是将泛素分子共价连接到目标蛋白质上的过程，主要通过泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3）的协同作用完成。泛素化修饰在蛋白质降解、细胞周期调控、DNA 修复、信号转导等多个生物学过程中发挥着关键作用。最典型的功能是通过多泛素链的形成，标记目标蛋白质进入蛋白酶体降解途径，从而调节蛋白质的水平和细胞内的稳态。例如，在细胞周期的各个阶段，许多细胞周期蛋白通过泛素化修饰被蛋白酶体降解，确保细胞周期的正常进行。此外，泛素化修饰还可以调节蛋白质的亚细胞定位、活性以及与其他蛋白质的相互作用，参与细胞内多种信号通路的调控，如 NF-κB 信号通路、Wnt 信号通路等。

泛素化过程

（三）乙酰化（Acetylation）

乙酰化修饰主要发生在赖氨酸残基上，由乙酰转移酶催化，将乙酰辅酶 A 上的乙酰基团转移到赖氨酸残基的氨基上。乙酰化修饰在基因表达调控、染色质结构重塑、细胞代谢、蛋白质稳定性等方面具有重要作用。在基因表达调控中，组蛋白乙酰化是一种重要的表观遗传修饰方式，乙酰化修饰可以中和组蛋白的正电荷，减弱组蛋白与 DNA 的结合，使染色质结构变得松散，从而促进转录因子和 RNA 聚合酶等转录相关因子与 DNA 的结合，激活基因的转录。除了组蛋白外，许多非组蛋白也存在乙酰化修饰，这些修饰可以调节蛋白质的活性、稳定性、亚细胞定位以及与其他蛋白质的相互作用，参与细胞内的多种代谢过程和信号转导通路。

赖氨酸乙酰化

（四）糖基化（Glycosylation）

糖基化修饰是指将糖基团连接到蛋白质上的过程，主要分为 N - 糖基化和 O - 糖基化两种类型。N - 糖基化修饰发生在天冬酰胺残基上，而 O - 糖基化修饰则主要发生在丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸残基上。糖基化修饰在蛋白质的折叠、稳定性、亚细胞定位、细胞间识别和信号转导等方面发挥着重要作用。在蛋白质折叠过程中，糖基化修饰可以分子作为伴侣，帮助蛋白质正确折叠，防止蛋白质聚集。糖基化修饰还可以调节蛋白质的稳定性，影响蛋白质在细胞内的运输和亚细胞定位。在细胞间识别和信号转导方面，细胞表面的糖蛋白通过其糖基化修饰与细胞外的配体、受体或细胞间基质相互作用，参与细胞 - 细胞间的粘附、免疫识别、细胞迁移等过程。例如，在免疫系统中，抗体的糖基化修饰可以影响其与抗原的结合亲和力和免疫效应功能。

N - 糖基化和 O - 糖基化

三、蛋白翻译后修饰的调控机制

蛋白翻译后修饰的调控是一个复杂的过程，涉及到多种因素的相互作用。首先，修饰酶和去修饰酶的活性是调控蛋白翻译后修饰的关键因素。修饰酶和去修饰酶的表达水平、活性状态以及它们与底物的结合亲和力都会影响蛋白翻译后修饰的程度。例如，蛋白激酶和磷酸酶的活性平衡决定了蛋白质的磷酸化水平；乙酰转移酶和去乙酰化酶的活性平衡则决定了蛋白质的乙酰化水平。其次，细胞内的信号转导通路也会对蛋白翻译后修饰进行调控。细胞外的信号分子通过激活特定的信号通路，可以调节修饰酶和去修饰酶的活性，从而改变蛋白质的翻译后修饰状态。例如，生长因子激活的 PI3K - Akt 信号通路可以调节蛋白激酶的活性，进而影响蛋白质的磷酸化修饰。此外，细胞内的代谢状态、氧化还原状态等也会对蛋白翻译后修饰产生影响。例如，细胞内的能量代谢状态可以影响乙酰辅酶 A 的水平，进而调节乙酰化修饰的程度；氧化应激可以诱导蛋白质的氧化修饰，如酪氨酸硝化、半胱氨酸氧化等。

四、蛋白翻译后修饰的研究方法与技术

随着生物技术的不断发展，研究蛋白翻译后修饰的方法和技术也越来越多样化。传统的研究方法包括免疫沉淀、免疫印迹、质谱分析等。免疫沉淀和免疫印迹技术可以用于检测特定蛋白质的翻译后修饰状态，通过特性的异抗体识别和结合修饰后的蛋白质，从而实现对蛋白质修饰的定性和定量分析。近年来，随着蛋白质组学技术的不断发展，基于质谱的蛋白质组学技术已成为研究蛋白翻译后修饰的强大工具。通过高通量的蛋白质组学分析，可以同时鉴定和定量分析细胞或组织中大量蛋白质的翻译后修饰状态，揭示蛋白质修饰的全局性变化和调控网络。

WB示例：

WB resuLt of Phospho-NF-kB p105/p50 (Ser337) Recombinant Rabbit mAb

CoIP示例：

利用目的蛋白抗体富集出总蛋白之后用修饰泛抗体检测富集后蛋白的翻译后修饰或利用修饰泛抗体富集出修饰的所有蛋白，再用目的蛋白抗体检测该蛋白的翻译后修饰

在MDA-MB-231和HEK293T细胞中进行了内源性和转染质粒后外源性免疫沉淀实验。结果显示，在内源性和外源性免疫沉淀物中，RCC2的分子量处检测到了特定的乳酰化条带（图D，E） abs9649 免疫(共)沉淀(IP/CoIP)试剂盒（磁珠法）^[1]

参考文献:
[1]Luo C, Xu H, Yu Z, Liu D, Zhong D, Zhou S, Zhang B, Zhan J, Sun F. Meiotic chromatin-associated HSF5 is indispensable for pachynema progression and male fertility. Nucleic Acids Res. 2024 Sep 23;52(17):10255-10275. doi: 10.1093/nar/gkae701. PMID: 39162221; PMCID: PMC11417359.