10種熱門蛋白質(zhì)翻譯后修飾機(jī)制和功能全整理（上篇）

蛋白翻譯后修飾（Post-translational modification, PTM）是指在蛋白質(zhì)合成完成后，蛋白質(zhì)分子經(jīng)歷的各種化學(xué)修飾過程。這些修飾可以影響蛋白質(zhì)的功能、活性、穩(wěn)定性、定位和相互作用等特性。小優(yōu)為您整理了10種經(jīng)典和前沿?zé)衢T的翻譯后修飾的機(jī)制和功能，方便小伙伴們查看。由于篇幅有限，本篇先介紹5種翻譯后修飾，剩下5種將下篇介紹。

1、磷酸化
- 磷酸化機(jī)制：
在蛋白激酶(protein kinase,PK)的催化下，ATP的磷酸基團(tuán)被轉(zhuǎn)移到蛋白的氨基酸上，從而發(fā)生磷酸化修飾；在磷酸酯酶的催化下，磷酸基團(tuán)可以從蛋白質(zhì)氨基酸上脫落。蛋白磷酸化普遍存在于生物體蛋白中，其中以絲氨酸(S)、蘇氨酸(T)和酪氨酸(Y)殘基磷酸化修飾為主。

- 生物學(xué)功能：
通過蛋白激酶和磷酸酯酶可逆的蛋白磷酸化過程，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而精準(zhǔn)的調(diào)控。

如下圖所示，蛋白發(fā)生磷酸化后會引起蛋白的結(jié)合能力的改變和蛋白構(gòu)象的改變，進(jìn)而發(fā)揮更多的生物學(xué)功能。

左上：調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的活性。例如細(xì)胞受細(xì)胞因子（如 IL-6）刺激時(shí)，JAK 激酶直接磷酸化 STAT3 的酪氨酸 705 位點(diǎn)，磷酸化的 STAT3 形成同源二聚體入核，與靶基因啟動子結(jié)合并激活轉(zhuǎn)錄。

右上：影響蛋白的穩(wěn)定性。例如DNA 損傷信號激活 ATM/ATR 激酶，磷酸化 p53 的 Ser15、Ser20 位點(diǎn)，直接破壞 p53 與泛素連接酶 MDM2 的結(jié)合，阻斷 MDM2 介導(dǎo)的泛素化降解途徑，使 p53 在細(xì)胞內(nèi)大量累積并發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。

中間：改變蛋白的亞細(xì)胞定位：
（1）影響蛋白核定位。例如靜息狀態(tài)下，NF-κB 在細(xì)胞質(zhì)里被 IκB 蛋白抑制。當(dāng)細(xì)胞受到炎癥信號刺激時(shí)，IκB 會被磷酸化并降解，NF-κB 隨之被釋放并磷酸化，然后進(jìn)入細(xì)胞核，激活炎癥相關(guān)基因的表達(dá)。

（2）影響蛋白膜定位。例如當(dāng)生長因子（如胰島素）與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合后，會激活 PI3K，使細(xì)胞膜上的 PIP2 轉(zhuǎn)化為 PIP3。Akt 的 PH 結(jié)構(gòu)域會結(jié)合 PIP3，從而被招募到細(xì)胞膜上，然后被 PDK1 和 mTORC2 磷酸化激活，進(jìn)而傳遞增殖和存活信號。

（3）影響蛋白的細(xì)胞質(zhì)滯留。例如胰島素或胰島素樣生長因子（IGF）信號激活 PI3K/Akt 通路，Akt 激酶磷酸化 FoxO1 的 Thr24、Ser256、Ser319 位點(diǎn)，磷酸化后的 FoxO1 會與 14-3-3 蛋白結(jié)合，被錨定在細(xì)胞質(zhì)中無法入核；當(dāng)該信號通路被抑制時(shí)，F(xiàn)oxO1 去磷酸化，隨即進(jìn)入細(xì)胞核結(jié)合靶基因啟動子，調(diào)控糖脂代謝、細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。

下左：調(diào)控蛋白酶活性。例如細(xì)胞受腎上腺素、胰高血糖素刺激時(shí)，依賴 cAMP 的蛋白激酶 A（PKA）催化糖原磷酸化酶的 Ser14 位點(diǎn) 磷酸化，引發(fā)酶蛋白構(gòu)象從無活性的 T 態(tài)（緊張態(tài)） 轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘?R 態(tài)（松弛態(tài)），暴露出與糖原底物的結(jié)合位點(diǎn)。

下右：影響和其他PTM之間的交互。例如細(xì)胞發(fā)生 DNA 損傷時(shí)，ATM 激酶催化組蛋白 H3 的Ser10 位點(diǎn)磷酸化，該修飾會直接招募組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶Dot1L，促使鄰近的H3K79 位點(diǎn)發(fā)生甲基化；而 H3K79 甲基化又會進(jìn)一步募集 DNA 損傷修復(fù)相關(guān)蛋白（如 53BP1），啟動損傷修復(fù)通路。

類別	產(chǎn)品	貨號
泛修飾抗體	Phospho-Threonine (42H4) Mouse mAb	9386S
	Phospho-Tyrosine Mouse mAb (P-Tyr-100)	9411S
	Phosphotyrosine Recombinant Rabbit mAb (S-R207)	S0B0319
位點(diǎn)特異性抗體	Phospho-Akt (Ser473) (D9E) Rabbit Monoclonal Antibody	4060S
	Phospho-NF-kappaB p65 (Ser536) (93H1) Rabbit Monoclonal Antibody	3033S
	Tau (phospho T181) Recombinant Rabbit mAb (SDT-R045)	S0B0029
	CREB (phospho S133) Recombinant Rabbit mAb (S-1100-102)	S0B0912
泛修飾微珠	Anti-Phosphotyrosine agarose Beads	S0F0007
PTMScan Kit	PTMScan ®  Phospho-Tyrosine Rabbit Monoclonal Antibody (P-Tyr-1000) Kit	8803S

2、泛素化
- 泛素化機(jī)制：
泛素化是將 76 個(gè)氨基酸組成的泛素分子（Ubiquitin）通過共價(jià)鍵連接到靶蛋白賴氨酸殘基的翻譯后修飾，可形成單泛素化或多聚泛素鏈（K48、K63 等鏈接方式），是調(diào)控蛋白質(zhì)命運(yùn)的關(guān)鍵機(jī)制。

泛素化主要包括3個(gè)階段：
（1）激活階段：泛素激活酶（E1）消耗 ATP，使泛素 C 端羧基與 E1 的半胱氨酸殘基形成硫酯鍵，激活泛素。
（2）結(jié)合階段：激活的泛素被轉(zhuǎn)移至泛素結(jié)合酶（E2）的半胱氨酸殘基，形成 E2 - 泛素復(fù)合物。
（3）連接階段：泛素連接酶（E3）識別靶蛋白，介導(dǎo)泛素從 E2 轉(zhuǎn)移至靶蛋白，完成單泛素化或多聚泛素鏈組裝，E3 的底物特異性決定修飾的特異性。
（4）DUB是去泛素化酶，在底物被送入蛋白酶體核心降解之前，DUB 會先把泛素鏈從底物上完整地切割下來，避免泛素被一同降解，實(shí)現(xiàn)修飾的動態(tài)調(diào)控和泛素分子的重復(fù)使用。

- 生物學(xué)功能：
泛素化最經(jīng)典和最為熟知的功能是介導(dǎo)蛋白降解，但這并不是泛素化唯一的功能。如下圖所示，根據(jù)泛素分子的結(jié)合形式，泛素化可以分為單泛素化，同型多泛素化和異型多泛素化幾類，分別介導(dǎo)不同的生物學(xué)功能。

（1）單泛素化 / 多單泛素化（Mono/multi ubiquitination）
定義：靶蛋白上的 1 個(gè)或多個(gè)賴氨酸殘基分別被 1 個(gè)泛素分子標(biāo)記（不是形成一條鏈）。
功能：通常不介導(dǎo)降解，而是調(diào)控蛋白的定位或活性。

左圖：DNA 損傷修復(fù)。單泛素化可以招募修復(fù)蛋白到 DNA 雙鏈斷裂（DSB）位點(diǎn)，啟動修復(fù)過程。當(dāng) DSB 發(fā)生時(shí)，染色質(zhì)上的組蛋白 H2AX 會被磷酸化（γ-H2AX），隨后一系列修復(fù)蛋白會被招募到損傷位點(diǎn)。其中，單泛素化修飾可以作為 “招募信號”，把下游的修復(fù)因子（如 RPA、Rad51）帶到斷裂處，啟動修復(fù)過程。

右圖：內(nèi)吞作用（Endocytosis）介導(dǎo)受體調(diào)控。細(xì)胞膜上的受體（如 EGF 受體）被單泛素化后，會被識別并招募到內(nèi)吞小體，最終進(jìn)入溶酶體降解或循環(huán)到膜表面。這是調(diào)控細(xì)胞表面受體數(shù)量的重要方式。

（2）同型多泛素化（Homotypic polyubiquitination）
定義：多個(gè)泛素分子通過自身特定的賴氨酸殘基（如 K48、K63）連接成一條線性或分支鏈，再連接到靶蛋白上。
功能：連接位點(diǎn)不同，功能完全不同。

左圖：介導(dǎo)蛋白降解。K48 連接的泛素鏈?zhǔn)亲罱?jīng)典的降解信號。靶蛋白被 K48 鏈標(biāo)記后，會被 26S 蛋白酶體識別并降解。比如細(xì)胞周期蛋白（Cyclin）在周期結(jié)束時(shí)被 K48 泛素化降解，推動細(xì)胞周期前進(jìn)。

中間：DNA損傷修復(fù)。在 DNA 雙鏈斷裂時(shí)，K63 泛素鏈會招募修復(fù)蛋白（如 RPA、Rad51）到損傷位點(diǎn)，促進(jìn)同源重組修復(fù)；

右圖：介導(dǎo)線粒體自噬。當(dāng)線粒體功能受損或細(xì)胞處于饑餓等應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞會通過這個(gè)機(jī)制清除 “不合格” 的線粒體，以維持能量代謝和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。

（3）異型 / 分支多泛素化（Heterotypic/branched polyubiquitination）
定義：泛素鏈中包含多種連接方式（如 K11 和 K48 混合，或 K48 和 K63 混合），形成更復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)。
功能：這種 “組合標(biāo)簽” 可以傳遞更精細(xì)的信號，常參與細(xì)胞周期調(diào)控等復(fù)雜過程。

左圖：調(diào)控細(xì)胞周期。在有絲分裂后期，周期蛋白 Cyclin B 的降解需要 K11 和 K48 混合連接的泛素鏈。這種分支結(jié)構(gòu)比單一 K48 鏈更高效地觸發(fā)降解，確保細(xì)胞周期精準(zhǔn)推進(jìn)。

右圖：調(diào)控信號傳遞。例如在 IL-1β 受體激活的下游，K11 和 M1 混合的泛素鏈可以同時(shí)調(diào)控信號傳遞和蛋白降解，讓炎癥反應(yīng)既被激活又能被及時(shí)終止。

除了泛素化以外，還有幾種翻譯后修飾也和泛素化的機(jī)制類似，只是通過不同的E1，E2，E3酶介導(dǎo)，并使用了不同的小分子。例如接下來為大家介紹的SUMO化和猶素化。

類別	產(chǎn)品	貨號
泛修飾抗體	Ubiquitin (P37) Antibody	58395S
	K-ε-GG Rabbit Polyclonal Antibody	S0B0965
位點(diǎn)特異性抗體	Ubiquityl-Histone H2A (Lys119) (D27C4) Rabbit Monoclonal Antibody	8240S
泛修飾微珠	Anti-K-ε-GG agarose Beads	S0F0005
	Premium Anti-K-ε-GG agarose Beads	S0F0018
PTMScan Kit	PTMScan ® HS Ubiquitin/SUMO Remnant Motif (K-epsilon-GG) Kit	59322S

3、SUMO化
- SUMO化機(jī)制：SUMO 化是類泛素修飾（Small Ubiquitin-like Modifier），將 SUMO 蛋白（主要有 SUMO1-4）共價(jià)連接到靶蛋白賴氨酸殘基，修飾過程與泛素化類似但使用專屬酶系，以單修飾或多聚修飾為主。

和泛素化類似，SUMO化也包括以下幾個(gè)階段：
（1）激活：SUMO 激活酶（SAE1/SAE2 異二聚體，類似 E1）激活 SUMO 分子。
（2）結(jié)合：激活的 SUMO 轉(zhuǎn)移至 SUMO 結(jié)合酶（Ubc9，唯一已知 E2）。
（3）連接：SUMO 連接酶（E3，如 PIAS 家族、RanBP2 等）介導(dǎo) SUMO 與靶蛋白結(jié)合，部分靶蛋白可在 Ubc9 介導(dǎo)下直接發(fā)生 SUMO 化（無 E3 參與）。
（4）去修飾：SUMO 特異性蛋白酶（SENPs）可移除靶蛋白上的 SUMO，實(shí)現(xiàn)修飾的動態(tài)調(diào)控。

- 生物學(xué)功能：
根據(jù)E3連接酶特異性識別的底物不同，SUMO化介導(dǎo)不同的細(xì)胞功能，例如轉(zhuǎn)錄調(diào)控，細(xì)胞應(yīng)急應(yīng)答，亞細(xì)胞定位，信號通路調(diào)控等。具體見下圖：

類別	產(chǎn)品	貨號
泛修飾抗體	SUMO-1 Antibody	4930S
PTMScan Kit	PTMScan ® HS Ubiquitin/SUMO Remnant Motif (K-epsilon-GG) Kit	59322S

4、猶素化
- 猶素化機(jī)制：
猶素化是類泛素修飾（UFMylation），將猶素分子（UFM1，Ubiquitin-fold modifier 1，含 85 個(gè)氨基酸的保守小分子蛋白）共價(jià)連接到靶蛋白賴氨酸殘基，修飾以單修飾或多聚修飾（主要通過 K69 位點(diǎn)形成多聚鏈）為主。

和泛素化類似，猶素化也包括以下幾個(gè)階段：
(1)成熟：UFM1 前體（Pro-UFM1）經(jīng)猶素特異性蛋白酶（UFSP1/UFSP2）切割 C 端氨基酸，暴露 C 端甘氨酸，形成成熟 UFM1。
(2)激活：猶素激活酶（E1，UBA5）利用 ATP 能量激活 UFM1，形成高能硫酯鍵（UBA5‑UFM1 復(fù)合物）。
(3)結(jié)合：激活的 UFM1 轉(zhuǎn)移至猶素結(jié)合酶（E2，UFC1，唯一已知 E2），形成 UFC1‑UFM1 硫酯復(fù)合物。
(4)連接：猶素連接酶（E3，UFL1，常與 UFBP1/DDRGK1、CDK5RAP3 形成復(fù)合物）介導(dǎo) UFM1 與靶蛋白賴氨酸殘基形成異肽鍵；目前未發(fā)現(xiàn)無 E3 參與的直接連接案例。
(5)去修飾：猶素特異性蛋白酶（UFSP1/UFSP2）移除靶蛋白上的 UFM1，實(shí)現(xiàn)修飾的動態(tài)可逆調(diào)控

- 生物學(xué)功能：
如下圖所示，猶素化主要介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，細(xì)胞分化和細(xì)胞增殖等生物學(xué)功能。

A圖：介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。這是猶素化最經(jīng)典的生物學(xué)功能。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ER stress）激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的 IRE1 和 PERK 兩條信號通路，并引發(fā)猶素化級聯(lián)反應(yīng)：UFM1 經(jīng)過 UBA5（E1 激活酶）、UFC1（E2 結(jié)合酶）和 UFL1（E3 連接酶）的催化，最終結(jié)合到底物蛋白上。UFBP1作為核心底物和支架蛋白，它的猶素化是整個(gè)通路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。CDK5R3與 UFL1 形成復(fù)合物，輔助完成修飾過程。最終激活下游XBP1s 和 ATF4 等轉(zhuǎn)錄因子，啟動內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激應(yīng)答（UPR），并最終調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)依賴的凋亡、細(xì)胞分化和增殖。

B圖：介導(dǎo)細(xì)胞分化。脂多糖（LPS，革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁成分）誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張（ER expansion）。LPS 激活 IRE1 通路，促進(jìn) UFBP1 的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，進(jìn)而增強(qiáng)猶素化水平。通過下游 XBP1s 調(diào)控基因表達(dá)，參與免疫細(xì)胞的分化與增殖，從而調(diào)控炎癥反應(yīng)。

C圖：介導(dǎo)細(xì)胞增殖。雌激素（E₂）結(jié)合其受體 ERα。ERα 招募 ASC1、p300 和 SRC 等共激活因子，ASC1 隨后發(fā)生猶素化修飾。猶素化修飾增強(qiáng)了 ERα 的轉(zhuǎn)錄激活活性，調(diào)控雌激素靶基因的表達(dá)，影響細(xì)胞增殖等生理過程。

類別	產(chǎn)品	貨號
泛修飾抗體	UFM1 (F9J1A) Rabbit Monoclonal Antibody	63445S
	K-ε-GV Rabbit Polyclonal Antibody	S0B1323
泛修飾微珠	Premium Anti-K-ε-GV agarose Beads	S0F0021

5、DNA甲基化
- DNA甲基化機(jī)制：
DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化作用下，將SAM上的甲基共價(jià)連接到CpG位點(diǎn)上的胞嘧啶（C）上的過程。

主要包括以下幾個(gè)階段：
·  第一步氧化：TET 酶（需要 Fe²⁺、α- 酮戊二酸（α-KG）和 O₂作為輔助因子）將 5 - 甲基胞嘧啶氧化為5 - 羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethyl Cytosine）。
·  后續(xù)氧化：TET 酶可以繼續(xù)催化 5 - 羥甲基胞嘧啶，生成 5 - 甲�；�胞嘧啶和 5 - 羧基胞嘧啶。
·  堿基切除修復(fù)（BER）：TDG（胸腺嘧啶 DNA 糖苷酶）識別并切除這些氧化后的胞嘧啶衍生物，再通過 DNA 修復(fù)機(jī)制替換為未修飾的胞嘧啶，完成去甲基化。

- 生物學(xué)功能
哺乳動物DNA甲基化主要發(fā)生在CpG位點(diǎn)的胞嘧啶(C)上，CpG位點(diǎn)以兩種形式存在：
（1）分散于基因組序列中，70%-80%被甲基化。（2）呈現(xiàn)高度聚集狀態(tài)，即CpG島。甲基化主要具有抑制基因轉(zhuǎn)錄，抑制轉(zhuǎn)座子活性，參與DNA損傷修復(fù)，介導(dǎo)細(xì)胞衰老與分化，參與代謝調(diào)控等過程。

下圖展示了CpG島甲基化調(diào)控過程。 CpG 島（CpG island）是指在基因的啟動子區(qū)域，常常存在一段富含 CpG 序列的區(qū)域，稱為 CpG 島。如果這些 CpG 島被高度甲基化，就會抑制基因的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致基因沉默；反之，去甲基化則會激活基因表達(dá)。

上圖：介導(dǎo)基因表達(dá)。啟動子區(qū)域的 CpG 島未甲基化（藍(lán)色標(biāo)記的 CpG 位點(diǎn)），此時(shí)轉(zhuǎn)錄因子和輔助激活因子（如 p300）可以結(jié)合到這些位點(diǎn)上，啟動基因的轉(zhuǎn)錄。

下圖：介導(dǎo)基因沉默。啟動子區(qū)域的 CpG 島高度甲基化（黃色標(biāo)記的 mCG），甲基化會阻止轉(zhuǎn)錄因子和激活因子的結(jié)合，同時(shí)招募甲基化結(jié)合蛋白（如 MeCP2），進(jìn)一步壓縮染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。

類別	產(chǎn)品	貨號
泛修飾抗體	Tri-Methyl Lysine Rabbit Polyclonal Antibody	S0B6173
	Methacryllysine Recombiant Mouse mAb (S-3455)	S0B6453
位點(diǎn)特異性抗體	Histone H2B (mono methyl K5) Recombinant Rabbit mAb (S-1416-412)	S0B1113
	Histone H3 (di methyl K14) Recombinant Rabbit mAb (S-R414)	S0B0707
	Di-Methyl-Histone H3 (Lys9) (D85B4) Rabbit Monoclonal Antibody	4658S
	Mono-Methyl-Histone H3 (Lys4) (D1A9) Rabbit Monoclonal Antibody	5326S
PTMScan Kit	PTMScan ® HS Pan-Methyl Lysine Kit	28411S