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蛋白修饰系列第四期—蛋白修饰在医学研究的应用

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    发表于 2019.1.22 09:27:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
    在上一期的文章中,我们介绍了蛋白修饰在植物中的应用(回顾戳这里),那么今天,我们来了解一下,在医学研究中,蛋白修饰可以怎么应用。

    医学与我们的健康息息相关,在科技飞速发展的现代,研究的主题不仅针对疾病(如肿瘤、免疫缺陷等),还有生理机制(如生长发育、生物钟等)等方面。针对这些主题,基于基因的表达和蛋白质的合成进行机制研究已经有非常成熟的模式。
    而翻译后修饰,是丰富蛋白质功能和参与信号转导的关键调控因子,也是生物体中非常重要的一环,然而很多时候大家都会忽略它的存在。其实在各个生理机制和疾病研究中,我们同样能发现翻译后修饰的身影,目前针对这些修饰也有非常多的研究,下面我们将针对其重要的功能进行介绍。
    表.各修饰类型汇总


    磷酸化

    之前我们已经多次介绍了,蛋白磷酸化是一种非常普遍存在的翻译后修饰(PTM)。它可以快速且可逆地调控信号传递功能,包括催化活性、蛋白质-蛋白质相互作用等。信号传递会涉及到我们的每一个生物学过程,任何外界的变化或刺激都会影响到信号的传递,蛋白磷酸化在其中功不可没。它调控着生命的各个方面,可以说是生命中必不可少的PTM。由于磷酸化非常的重要,因此在生长发育、疾病等方面已有许多的研究。
    以小鼠生育力的机制研究为例[1],缺乏磷酸酶1 (Wip1)的小鼠会表现出雄性生殖缺陷。然而,这种异常的分子机制尚不清楚。因此作者对野生型和wip1敲除小鼠进行了蛋白质组和磷酸化蛋白质组的检测,结果发现4280个磷酸化位点,58个蛋白和159个磷酸化位点存在差异。研究发现前炎性细胞活素可能通过降低连接相关蛋白的表达而损害血睾丸屏障动力学,从而导致生殖能力低下和精子形成缺陷。


    图1.小鼠蛋白组+磷酸化组研究思路

    乙酰化

    赖氨酸的乙酰化有两种,一种是发生在细胞核内组蛋白上的乙酰化,也是大家研究得最多的乙酰化,其实还有一种是发生在胞浆及其他亚细胞中的非组蛋白乙酰化,这种非组蛋白的乙酰化同样起到重要的作用。
    乙酰化的过程中,在组蛋白/赖氨酸乙酰转移酶(HATs/KATs)的作用下,赖氨酸残基会发生乙酰化。由于乙酰化是一个可逆的过程,乙酰化的蛋白又会在组蛋白/赖氨酸去乙酰酶(HDACs/KDACs)的作用下解除乙酰化的状态。不同的KATs和HDACs涉及到广泛的生物学过程,在多种细胞代谢途径中起着至关重要的作用,因此对不同的人类疾病起着至关重要的作用,如癌症、糖尿病、病毒感染、神经退行性疾病以及与发育异常等多种疾病。
    同样是研究小鼠不育,蛋白质乙酰化也参与到其中。在本研究中[2],作者对热休克和x射线照射后小鼠睾丸进行乙酰化分析。在587个蛋白质中识别了1139个赖氨酸乙酰化位点。研究结果表明,蛋白质乙酰化可能为精子形成的调控增加了另一层复杂性。


    图2.小鼠乙酰化研究思路

    泛素化

    泛素化是由泛素活化、泛素结合和泛素连接目标蛋白三个步骤协同反应完成的。其中,泛素连接酶非常关键,决定了泛素将会连接到哪个特异的目标蛋白上。在人类蛋白质组有600多种独特的连接酶,表明泛素化的作用广泛,能够调节不同细胞途径中各式各样的蛋白质底物。泛素化参与了转录调控、DNA损伤修复、细胞周期等生理过程,也与癌症、神经退行性疾病等疾病有关。
    除了上诉的疾病之外,泛素化也会与代谢性疾病相关,但关于这类型的疾病相关研究较少[3]。肝脏糖脂代谢失调是2型糖尿病、非酒精性脂肪肝等代谢性疾病发病的重要因素,因此作者通过高脂高糖饮食或胰岛素刺激条件对大鼠肝脏中进行泛素修饰蛋白组,最终鉴定了1267个泛素化蛋白,通过对这些蛋白进行pathway分析,发现主要富集在TCA循环、糖酵解/糖异生、脂肪酸代谢、碳代谢等途径,表明大鼠肝脏泛素对饮食或胰岛素刺激敏感,泛素化可能是一种多层次调节全身血糖和血脂的新机制。


    图3.小鼠肝脏泛素化研究思路

    糖基化

    N-糖基化在多种生物过程中起着关键作用,包括蛋白质折叠的调节、细胞信号传递、细胞分化和免疫应答,几乎所有通过分泌途径运输的蛋白质都会经历N-糖基化。因此N-糖基化在生命体内同样非常的重要。N-糖基化也与许多疾病有关,如癌症、糖尿病和神经退行性疾病等。尽管N-糖基化广泛涉及了生物学过程,但由于糖侧链的形式和程度差异很大,因此N-糖基化的研究仍然具有挑战性。
    正常的大脑发育高度依赖蛋白质N-糖基化来维持神经元的迁移、轴突的引导和突触的生理功能[4]。早期损害N-糖基化途径会导致先天性糖基化障碍。然而,人们对这些缺陷背后的分子机制知之甚少。因此作者构建了小脑特异性敲除Srd5a3基因的小鼠。通过蛋白质和糖基化蛋白组学方法,发现Srd5a3的缺失影响了N-聚糖的糖蛋白,并降低了糖蛋白的丰度或N-糖基化水平。研究结果表明,在哺乳动物大脑发育过程中,N-聚糖的高度多样性与神经细胞粘附的微调有关。


    图4.N -糖肽的相互作用图

    我们从上述的文章研究思路中可以看出来,从样本采集、蛋白提取,到修饰蛋白富集、上机检测,各个修饰类型的研究思路其实都非常相似。由于蛋白修饰在生物过程中起到非常重要的作用,因此针对蛋白修饰也早已经展开研究。
    但是在实际应用中,我们没有接触过蛋白修饰,该如何入手呢。简单来说,当我们的实验设计可以使用转录组或蛋白组来帮助我们解决问题时,蛋白修饰组同样可以起作用,如果还有疑问的地方,基迪奥生物可以提供非常全面的建议,欢迎大家随时进行咨询。

    拓展阅读

    蛋白修饰系列第一期——蛋白修饰知多少?
    蛋白修饰系列第二期——如何进行蛋白修饰的研究
    蛋白修饰系列第三期——植物蛋白修饰如何应用

    参考文献

    [1]WeiY, Gao Q, Niu P, et al. Integrative Proteomic and Phosphoproteomic Profiling ofTestis from Wip1 Phosphatase-Knockout Mice: Insights into Mechanisms of ReducedFertility[J]. Molecular & Cellular Proteomics, 2018: mcp. RA117. 000479.[2]XieC, Shen H, Zhang H, et al. Quantitative proteomics analysis reveals alterationsof lysine acetylation in mouse testis in response to heat shock and X-rayexposure[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Proteins and Proteomics, 2018,1866(3): 464-472.[3]NagarajanS R , Brandon A E , Mckenna J A , et al. Correction: Insulin and diet-inducedchanges in the ubiquitin-modified proteome of rat liver[J]. Plos One, 2017,12(3):e0174431.
    [4]Medina-CanoD, Ucuncu E, Nguyen L S, et al. High N-glycan multiplicity is critical forneuronal adhesion and sensitizes the developing cerebellum to N-glycosylationdefect[J]. eLife, 2018, 7: e38309.

    本文作者:基迪奥半夏
       




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