NC最新综述丨盘点蛋白翻译后修饰（PTM）的前沿热点方向 ...

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撰写：科研小牛 来源：小张聊科研平台的“ 课题指南针”公众号，微信公众号搜索“ 课题指南针”即可关注/扫描关注见文末
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今天我们讨论的主题：蛋白质的翻译后修饰，相信大家早已对它有所了解。我们都知道蛋白质是调控各种细胞功能的重要执行者，决定着生命活动能否高效、有序的进行。而前体蛋白是无活性的，需要通过PTM，才能解锁繁多的蛋白质类型和功能，开启缤纷多彩的生命之门。这些修饰包括磷酸化、糖基化、泛素化、甲基化、乙酰化、脂质化和蛋白水解等，几乎影响正常细胞生物学和发病机制的所有方面。因此，深入理解PTM对细胞生物学和疾病防治至关重要。


本期笔者带来的是2023年1月一篇在线发表于Nature Communications的关于翻译后修饰调节蛋白质稳定性的综述文章，拓展了已知蛋白修饰调节机制的多样性和广度，揭示了PTM网络调节蛋白质稳定性的复杂程度。作者是如何将“老生常谈”的蛋白修饰变得有新意了呢？
首先，让我们了解一下对于维持蛋白质稳定性必不可少的degron是什么。
degron作为多组分控制模块
PTMs可以发生在目标蛋白调控域内的特定氨基酸上，这些被称degron（降解决定子）的调控域控制着蛋白质的稳定性。degron有不同的分子定义，最初被定义为导致“蛋白质中部分或全部肽键的代谢不稳定”的蛋白质基序。而作者依据PTM驱动调节的介入，主要强调了degron的两个功能类别（Figure 1）。



Figure 1

1.PTM激活的degron
一种天然无活性的degron结构，通过添加一个或多个PTM进行修饰或以其他方式激活，最终导致蛋白质水解（Figure 1a）。
2.PTM失活的degron
一种去稳定基序，通过添加一个或多个PTM到蛋白质底物上的特定位点而失活，以抑制它们与蛋白质降解机制的相互作用（Figure 1b）。
需要注意的是，这些功能类别背后的分子机制是多种多样的，PTM也可能通过间接方式调节蛋白质稳定性，例如通过为二级蛋白质提供结合位点，从而抑制或间接诱导降解。
接下来，介绍的是几种常见的调节蛋白质稳定性的途径：
通过甲基化控制蛋白质稳定性
赖氨酸和精氨酸甲基化通过改变蛋白质稳定性来调节功能，赖氨酸甲基化通过甲基激活的degron降低蛋白质稳定性，而精氨酸甲基化主要通过甲基失活的degron增加蛋白质稳定性。甲基转移酶（EZH2、G9a和SETD7等）和去甲基化酶（LSD1等），这组书写酶和擦除酶动态调控靶蛋白的甲基化状态（Figure 2）。暗示一种潜在的治疗策略：联合使用擦除酶和书写酶的抑制剂来管理甲基调节的degron以治疗疾病。
1.甲基激活的degron
下面介绍3种（RORα、DNMT1、FOXO1）已经被证实的甲基激活的degron。



Figure 2

视黄酸相关孤儿受体α (RORα)，已知的乳腺癌肿瘤抑制因子，在肿瘤发生过程中其稳定性由赖氨酸甲基激活的degron调节。RORα在K38处被EZH2（zeste同源物2）甲基转移酶的增强子单甲基化，然后被阅读蛋白DCAF1(损伤特异性DNA结合蛋白1（DDB1）-cullin4 (CUL4)相关因子)识别，导致DDB1/ CUL4 E3泛素连接酶复合物的募集和RORα的多泛素化。
大多数具有甲基激活的degrons的非组蛋白已被确定为SETD7（含7的SET结构域底物）。SETD7靶标DNA甲基转移酶1 (DNMT1)，其本身使CpG 二核苷酸中的胞嘧啶甲基化，其活性在细胞周期进程中受到严格调节。另外，SETD7在K142处对DNMT1的单甲基化会导致DNMT1水解。SETD7的作用可被去甲基化酶 LSD1抵消。
叉头转录因子(FOXO)家族成员受到包括甲基化在内的多种PTM的调控，甲基转移酶G9a的FOXO1甲基化导致FOXO1与E3连接酶S相激酶相关蛋白2 (SKP2)之间的相互作用增加，通过加速FOXO1的多聚泛素化和降解来降低FOXO1蛋白稳定性。另外，大多数已知的甲基激活的degron依赖于UPS进行蛋白质降解。
2.甲基失活degron
甲基活化的degron通过募集E3连接酶在添加甲基时直接或间接诱导蛋白质降解，与此相反，甲基失活的degron要么以蛋白水解的方式破坏其未修饰形式的蛋白质，要么作为稳定相互作用的结合位点。
kruppel 样因子4 (KLF4) 最初被确定为多种癌症的肿瘤抑制因子，为最有前途的甲基失活degrons之一。KLF4 的下拉实验将PRMT5鉴定为相互作用伙伴，在靠近其C末端的三个精氨酸（R374、R376和377）上甲基化，减少Von-Hippel-Lindau肿瘤抑制因子 (VHL) E3 连接酶对KLF4的多聚泛素化，增加KLF4的稳定性以及KLF4依赖性靶基因的丰度和转录。
最近，针对PRMT5-KLF4相互作用的小分子拮抗剂的生产进一步表明，药理抑制KLF4甲基灭活的degron是抑制KLF4依赖的肿瘤发生的潜在可行途径。
一种间接甲基灭活的degron已经在Axin（β-连环蛋白破坏复合物中的一种支架蛋白）中被提出，动物实验表明，R378是PRMT1的底物，Axin与糖原合酶激酶3-β（GSK-3β）之间的相互作用增加，导致Axin泛素化的减少，可能是由于GSK-3β的Axin磷酸化增加，从而阻止UPS对Axin的降解。
精氨酸甲基转移酶PRMT6在35位保守的精氨酸残基处自甲基化。诱变实验表明，PRMT6的催化活性和精氨酸的甲基化对PRMT6的蛋白水解稳定性至关重要。
通过磷酸化控制蛋白质稳定性
细胞周期调节中的CDK、Wnt信号中的GSK-3α/β、RTK（受体酪氨酸激酶）信号中的RTK本身以及神经退行性疾病中的Akt是负责磷酸激活或失活degron的主要书写酶。
1.细胞周期中磷酸化激活degron
细胞周期的进展主要由细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)和两种E3连接酶（后期促进APC/C复合体和SCF复合体）协调，与其他因素一起在效应蛋白的磷酸化状态和丰度中控制时空节律。PTM会影响以上所有过程，比如在人类葡聚糖蛋白中发现的一个例子：磷酸化直接增强主要degron与其衔接子之间亲和力，使得葡聚糖蛋白更有效地降解，从而控制包括DNA复制在内的新细胞周期。



Figure 3

2.β-连环蛋白磷酸化激活degron
Wnt信号通路控制细胞增殖，其核心是一个组成型磷酸激活的degron，作用于信号转导β-连环蛋白。无刺激时，β-连环蛋白作为破坏复合物隔离在胞质中，在S45位点被CSNK1磷酸化，在T41、S37和S33位点被GSK-3磷酸化。磷酸化的S37和S33形成磷酸化激活的degron基序，被β-TrCP识别后导致β-连环蛋白的泛素化和破坏，从而保持低水平游离β-连环蛋白。受刺激后，β-catenin的降解被抑制，游离的β-连环蛋白增加，导致β-连环蛋白易位至细胞核并激活下游基因。总之，β-连环蛋白的磷酸化和泛素化动态调节，以平衡β-连环蛋白在Wnt信号传导中的正负功能平衡。
3.RTK信号通路中的磷酸化驱动泛素化
几乎所有RTK 都会发生配体诱导的内吞作用，以形成负反馈回路限制过度使用刺激后的信号传导。这里以表皮生长因子受体 (EGFR)为例。在配体刺激下，活化的EGFR在其细胞内C端尾部磷酸化多达9个酪氨酸，作为各种下游信号分子的结合位点，随后泛素化EGFR，决定被内吞的受体被降解还是被回收利用。
4.神经退行性疾病中 PTM 调节的蛋白质降解
许多神经退行性疾病是由于聚谷氨酰胺 (polyQ) 延伸到蛋白质导致蛋白聚集导致毒性，这些蛋白质的毒性和稳定性受到PTM的影响。有趣的是，脊髓和延髓肌萎缩(SBMA)的PolyQ-AR的磷酸化，不依赖degron本身的改变，而是依赖于蛋白质的寡聚状态，来决定是从聚集体中溶解polyQ-AR从而允许UPS介导的降解，还是通过CDK2对另一个残基S96的磷酸化驱动polyQ-AR聚集，从而保护其免于降解。
通过乙酰化控制蛋白质稳定性
一般来说，乙酰化依赖性蛋白质稳定的最直接机制是在同一赖氨酸残基上与泛素化竞争。事实上，p53的乙酰化依赖性蛋白稳定是通过抑制MDM2的多聚泛素化来实现的。例如，乙酰转移酶p300对HIF-1α在K709位点的乙酰化，促进了HIF-1α的稳定，可能是通过与同一位点的泛素化竞争（Figure 4a）。
通过羟基化控制蛋白质稳定性
蛋白质的羟基化由2-羟戊二酸依赖的双加氧酶催化，可发生于各种氨基酸上。如HIF-α脯氨酰羟基化通过 VHL E3泛素连接酶影响HIF-α蛋白的稳定性。在氧存在的前提下，P402和P564被羟基化，导致VHL识别HIF-1α，促进蛋白酶体降解。缺氧抑制了HIF-1α的羟基化，随后HIF-1α从UPS中逃逸，从而维持蛋白质稳定。
通过糖基化控制蛋白质稳定性
蛋白质的糖基化是一种重要的生物修饰，对各种细胞功能至关重要，糖基化影响细胞表面受体以调节构象变化、蛋白质周转率和分子间相互作用，并随后改变靶蛋白的结构和功能。凭借针对靶蛋白的糖基化工程的优势，开发针对糖基化蛋白或聚糖本身的生物药物最近成为治疗性抗体领域的热门策略。
通过sumoylation控制蛋白质稳定性
上述小型化学PTM以外，UPS和其他降解途径可以通过多肽PTM调节。如Sumo（小泛素样修饰剂），由Sumo靶向泛素连接酶 (StUbL)直接介导，特异性识别 Sumo化底物并泛素化它们。致癌融合蛋白PML-RAR在砷诱导下的降解，这导致PML- RAR的Sumo化，随后被哺乳动物StUbLRNF4识别。此外，还发现Sumo对蛋白质稳定性的间接调控。Sumo化和磷酸化之间广泛的串扰，如，阿尔茨海默病相关蛋白tau的过度磷酸化和Sumo化已被证明是相互强化的，导致tau蛋白水解稳定（Figure 4b）。



Figure 4

degron的PTM网络串扰
蛋白质上的单个PTM越来越多地被视为调节PTM网络的一部分，它们联合作用以控制蛋白质降解稳定性等。
1.不同PTM对MYC稳定性的调节
作为一种混杂的强原癌基因转录因子，MYC蛋白受到严格调控，多种情况下，PTM 网络的形成是因为一个PTM通过建立蛋白质-蛋白质相互作用来充当下一个PTM的启动因子（Figure 5a）。
2.p53稳定性调控
肿瘤抑制因子p53在约50%的人类恶性肿瘤中发生突变，拥有300多个PTM位点。30多种E3连接酶泛素化p53，对其稳定性具有不同的影响，最经典途径：单个E3连接酶MDM2在残基18-28处结合p53的N末端并将其泛素化在六个C末端赖氨酸上，从而将蛋白质运送到UPS。另外，乙酰化使次级degron失活、磷酸化乙酰化之间的串扰、赖氨酸甲基化等多个PTM也被证明会影响p53周转（Figure 5b）。



Figure 5

笔者总结
从综述中描述的蛋白质水解稳定的多种PTM和信号级联，显示了复杂的PTM网络是如何动态生成和擦除以调节疾病相关蛋白的功能。但是PTM调节蛋白质稳定性的领域基本处于传统生化和分子生物学方法发现的单个示例案例不断积累的状态，最后，作者提出了如何利用定量蛋白质组学系统地研究PTM驱动的蛋白质稳定性调节，以及对未来治疗方法发展的前景和意义。
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