蛋白翻译后修饰（PTM）研究超全指南（上）

据统计，哺乳动物的蛋白质组包含了数百万种独特的蛋白质形态，这种蛋白质的复杂性是由于约25,000个基因的基因组、将潜在的蛋白种类增加到100,000个的转录组、以及丰富的蛋白质翻译后修饰(PTM)。尤其是PTM, 几乎所有蛋白质都会被多个PTM修饰，因此相对于转录组和基因组，经过翻译后修饰的蛋白质都大幅增加了蛋白质组的复杂性，同时也赋予了蛋白质功能多样性的无限潜力。

蛋白翻译后修饰(PTM)，如磷酸化、泛素化、乙酰化、SUMO化等，在细胞信号转导、蛋白稳定和转换、蛋白识别和相互作用、空间定位等方面发挥着重要作用，具体功能如下：

表1：不同类型PTM的功能和特点

多项研究表明，PTM的失调与癌症、心力衰竭、神经系统和代谢疾病等息息相关。鉴于PTM对于疾病治疗和药物开发的重要性，因此小优就给大家带来了PTM研究超全指南，内容包括：PTM在疾病研究中的综述、PTM检测方法&PTM研究工具。由于篇幅原因，小优将PTM研究超全指南分了上下部，今天我们就来详细聊聊上部——PTM在疾病研究中的综述~

1.  肿瘤中的PTM
癌症的发生是细胞通过多层调控进行重编程的一个过程，以此来满足肿瘤迁移和增殖的需要¹。最近的研究揭示了控制细胞信号转导和代谢途径的重要调控层，其中PTM在其中发挥了重要的作用。此外，PTM之间的串扰以及PTM-PTM相互作用的失调已被认为与多种疾病（包括许多癌症）的发病机制有关²。
许多与癌症有关的蛋白质，包括 GPCR、p53、DAPK1、NF-kB 等，都会出现乙酰化、糖基化、磷酸化、甲基化、SUMO 化和泛素化过度表达或表达不足的情况³。因此，了解PTM在癌症中的作用为研究人员和临床医生提供了新的治疗干预点，以及用于诊断癌症、监测其进展和评估治疗效果的潜在生物标志物。
肿瘤抑制蛋白PTEN是一种磷脂酰肌醇和张力蛋白同源物，可调节细胞的黏附、迁移、增殖、生长和存活。PTEN抑制了细胞生存和生长所必需的PI3K/Akt信号通路，从而发挥对肿瘤的抑制作用⁴。大量的信息表明，常见的PTEN PTM(磷酸化、泛素化、SUMO化、乙酰化)会动态地改变蛋白质的稳定性、活性、定位和蛋白质间的相互作用。此外，PTEN 的翻译后调控缺陷在癌细胞中发生的频率比正常细胞要高得多，从而导致 PTEN 活性丧失，这是人类癌症中最常见的突变之一⁵。
同样，转录因子p53可调控多达3,000个基因的表达，这些基因涉及细胞凋亡、衰老、细胞周期停滞、DNA修复、细胞凋亡、肿瘤微环境、自噬以及肿瘤的侵袭和转移^6-7。p53通过多达50个PTM进行调控，其中泛素化、磷酸化和乙酰化的调控最显著(图1) ^8-9。
Wnt/β-catenin信号通路在胚胎发育过程中调节细胞的增殖、分化和迁移，并参与成年细胞的动态平衡，该信号通路是通过PTM调节的，它的失调与包括退行性疾病和癌症在内的多种疾病有关¹⁰。与大多数蛋白质一样，Wnt信号转导及其重要的分子因子受到多个PTM的调控，单个PTM能够增强和抑制其活性，这具体取决于它作用的氨基酸残基。此外，PTM的影响可能是相互协同作用的，也可能是相互排斥的。要想了解这些复杂、多样且相互影响的调控过程，从而达到诊断和治疗癌症的目的，需要用到一些灵敏的分析方法和试剂，小优将会在下一章再给大家详细介绍。
 

图1：p53翻译后修饰示意图

2.  心血管疾病中的 PTM
心血管疾病的病理生理学通常涉及心肌细胞的死亡和功能障碍，而心肌细胞的收缩能力取决于离子通道和泵、细胞骨架蛋白和受体的正常功能。许多相关的蛋白质都是通过PTM来调节的，PTM能够迅速并且较大地影响相关蛋白质的活性，从而影响细胞的反应¹¹。例如，受钙控制的三聚肌钙蛋白复合体能够调节肌节的收缩，这种复合体的一个成分是心肌肌钙蛋白I（cTnI），由于会降解并出现在血液中，因此可作为心血管疾病的生物标志物¹²。还有研究发现了cTnI 上的其它PTM，包括乙酰化和甲基化等¹³，这对心肌梗塞和心力衰竭等心血管疾病的诊断和治疗具有重要意义¹⁴。

3.  干细胞研究中的PTM
多能干细胞（PSCs）包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（IPSCs），它们通过转录因子的作用来维持原始分化状态、激活多功能促进基因，同时抑制分化促进基因。这些转录因子的表达水平和转录激活能力受PTM调节的调控¹⁵。
转录因子Oct4，Sox2和Nanog通过复杂的机制调控转录，其中每个转录因子都能独立发挥作用，也能够自我抑制¹⁶，这三种转录因子都通过PTM进行调控。Oct4的表达水平和转录活性受泛素化、SUMO化和磷酸化的调控，其中泛素化的Oct4降低了转录水平并诱导ESC分化¹⁷。Nanog在多个丝氨酸残基上发生磷酸化，从而降低其活性并增强 ESC 分化¹⁸，而Sox2 在 ESC 中的表达是通过甲基化和磷酸化之间的竞争来调节的¹⁹。

4.  PTM和药物开发
PTM通过调节蛋白质的物理和化学性质、折叠、构象、稳定性和活性来影响细胞发育过程，从而影响多种疾病的病因。PTM可能发生的位置、数量以及翻译后变化的多样性，将起源于大约21,000个基因的蛋白质组转化为具有独特功能和活性的数百万个蛋白质^20-21。我们对PTM在疾病中发挥作用的了解仍然主要集中在PTM的局部效应、它们与药物结合位点以及它们参与蛋白质相互作用过程²²。然而，面临这些困难和挑战，从事药物开发的研究人员都一一克服，并且设计出了能增强或破坏PTM以及携带PTM的蛋白质活性的蛋白质药物和小分子药物。

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