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分子生物学において、翻訳後修飾( PTM ) は、タンパク質生合成後にタンパク質を変化させる共有結合プロセスです。PTM は酵素が関与する場合もあれば、自然に発生する場合もあります。タンパク質はリボソームによって生成され、mRNA をポリペプチド鎖に翻訳します。その後、ポリペプチド鎖が変化して成熟したタンパク質生成物が形成されます。PTM は、プロホルモンがホルモンに変換される場合など、細胞シグナル伝達において重要な要素です。
翻訳後修飾は、アミノ酸 側鎖またはタンパク質のC末端またはN末端で起こり得る。[1]既存の官能基を変更したり、リン酸などの新しい官能基を追加したりすることで、22種類のアミノ酸の化学セットを拡張することができる。リン酸化は酵素活性を制御するのに非常に効果的であり、翻訳後に最もよく起こる変化である。[2]多くの真核生物および原核生物のタンパク質には、グリコシル化と呼ばれるプロセスで炭水化物分子が結合しており、タンパク質の折り畳みを促進し、安定性を向上させるとともに、調節機能を果たす。脂質分子の結合は脂質化と呼ばれ、細胞膜に結合したタンパク質またはタンパク質の一部を標的とすることが多い。
その他の翻訳後修飾の形態は、ペプチド結合の切断から成り、プロペプチドを成熟型に加工したり、開始メチオニン残基を除去したりする。システイン残基からのジスルフィド結合の形成も、翻訳後修飾と呼ばれることがある。[3]例えば、ペプチドホルモンのインスリンは、ジスルフィド結合が形成された後に2回切断され、鎖の中央からプロペプチドが除去される。結果として得られるタンパク質は、ジスルフィド結合でつながれた2つのポリペプチド鎖で構成される。
いくつかのタイプの翻訳後修飾は酸化ストレスの結果です。カルボニル化は、修飾されたタンパク質を分解の対象とし、タンパク質凝集体の形成を引き起こす一例です。[4] [5]特定のアミノ酸修飾は、酸化損傷を示すバイオマーカーとして使用できます。[6]
翻訳後修飾を受けることが多い部位は、反応において求核剤として機能できる官能基を持つ部位である：セリン、スレオニン、チロシンのヒドロキシル基、リジン、アルギニン、ヒスチジンのアミン形態、システインのチオラートアニオン、アスパラギン酸とグルタミン酸のカルボキシレート、およびN末端とC末端。さらに、アスパラギンのアミドは弱い求核剤であるが、グリカンの結合点として機能することができる。まれに、酸化メチオニンや側鎖の一部のメチレン基で修飾が起こることがある。[7]
タンパク質の翻訳後修飾は、質量分析、イースタンブロッティング、ウエスタンブロッティングなど、さまざまな技術によって実験的に検出できます。追加の方法については、#外部リンクのセクションを参照してください。
官能基の付加を伴うPTM
酵素による付加生体内
膜局在のための疎水性基
- ミリストイル化（アシル化の一種）、ミリスチン酸（C 14飽和酸）の付加
- パルミトイル化（アシル化の一種）、C 16飽和酸であるパルミチン酸の付加
- イソプレニル化またはプレニル化、イソプレノイド基の付加（例：ファルネソールおよびゲラニルゲラニオール）
- グリピエーション、C末端テールへのアミド結合を介したグリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）アンカーの形成
酵素活性を高める補因子
- リポイル化（アシル化の一種）、リポ酸（C 8）官能基の付加
- フラビン部分（FMNまたはFAD）は共有結合している可能性がある
- ヘムCはシステインとのチオエーテル結合を介して結合する
- ホスホパンテテイニル化、脂肪酸、ポリケチド、非リボソームペプチド、ロイシン生合成における補酵素 Aからの 4'-ホスホパンテテイニル基の付加
- レチニリデン シッフ塩基の形成
翻訳因子の修正
- ジフタミド形成（ eEF2に含まれるヒスチジン上）
- エタノールアミンホスホグリセロール結合（ eEF1α中のグルタミン酸に結合）[8]
- ヒプシン形成（ eIF5A（真核生物）およびaIF5A（古細菌）の保存されたリジン上）
- ほとんどの細菌で保存されている伸長因子P （EFP）のリジンへのβリジン付加。[9] EFPはeIF5A （真核生物）およびaIF5A（古細菌）の相同体です（上記参照）。
より小さな化学グループ
- アシル化、例：O -アシル化（エステル）、N -アシル化（アミド）、S -アシル化（チオエステル）
- アルキル化、アルキル基の付加、例：メチル、エチル
- C末端のアミド化。C末端グリシン残基の酸化的解離によって形成される。 [11]
- アミド結合の形成
- 酪酸
- ビタミンKに依存するγカルボキシル化[13]
- グリコシル化は、アルギニン、アスパラギン、システイン、ヒドロキシリジン、セリン、スレオニン、チロシン、またはトリプトファンのいずれかにグリコシル基が付加され、糖タンパク質が 形成される現象です。非酵素的な糖の付加とみなされる
糖化とは異なります。
- O -GlcNAc 、 β-グリコシド結合におけるセリンまたはスレオニン残基へのN -アセチルグルコサミンの付加
- ポリシアリル化、 NCAMへのポリシアリン酸（PSA）の付加
- マロニル化
- ヒドロキシル化：プロリンまたはリジン残基の側鎖に酸素原子を付加すること
- ヨウ素化：チロシン残基の芳香環へのヨウ素原子の付加（例：チログロブリン）
- ADPリボシル化などのヌクレオチド付加
- リン酸エステル（O結合型）またはホスホラミデート（N結合型）の形成
- プロピオニル化
- ピログルタミン酸形成
- S-グルタチオン化
- S-ニトロシル化
- S-スルフェニル化（別名 S-スルフェニル化）、システイン残基のチオール基に1つの酸素原子を可逆的に共有結合させる反応[14]
- S-スルフィニル化、システイン残基のチオール基への2つの酸素原子の通常不可逆的な共有結合付加[14]
- S-スルホニル化は、システイン残基のチオール基に3つの酸素原子が共有結合して、通常は不可逆的に付加され、システイン酸残基が形成される反応である[14]
- スクシニル化リジンへのスクシニル基の付加
- 硫酸化、チロシンへの硫酸基の付加。
非酵素的修飾生体内
非酵素的PTMの例としては、糖化、糖酸化、ニトロシル化、酸化、コハク化、脂質酸化などがある。[15]
- 糖化とは、酵素の制御作用なしにタンパク質に糖分子が付加されることである。
- カルバミル化はタンパク質のN末端またはリジン側鎖にイソシアン酸を付加することである。 [16]
- カルボニル化は、一酸化炭素を他の有機/無機化合物に添加すること。
- グラム陽性細菌の多くの表面タンパク質に見られるように、自発的にイソペプチド結合が形成される。[17]
非酵素添加物試験管内
- ビオチン化：ビオチン化試薬を使用してビオチン部分を共有結合させること。通常はタンパク質の標識を目的としています。
- カルバミル化：タンパク質のN末端またはリジンまたはシステイン残基の側鎖へのイソシアン酸の付加。典型的には尿素溶液への曝露によって生じる。[18]
- 酸化: 主に Met、Trp、His、または Cys 残基の感受性側鎖に 1 つ以上の酸素原子が追加されます。Cys残基間のジスルフィド結合が形成されます。
- ペグ化：ペグ化試薬を使用してポリエチレングリコール（PEG）を、通常はN末端またはLys残基の側鎖に共有結合させる。ペグ化は、タンパク質医薬品の効能を向上させるために使用される。
他のタンパク質やペプチドとの結合
- ユビキチン化、タンパク質ユビキチンへの共有結合。
- SUMO化、 SUMOタンパク質（Small Ubiquitin-related MOdifier）への共有結合[19]
- ネディレーション、 Neddタンパク質への共有結合
- ISGylation、 ISG15タンパク質（インターフェロン刺激遺伝子15）への共有結合[20]
- プピレーション、原核生物のユビキチン様タンパク質への共有結合
アミノ酸の化学修飾
- シトルリン化、または脱イミノ化、アルギニンからシトルリンへの変換[21]
- 脱アミド化、グルタミンからグルタミン酸、またはアスパラギンからアスパラギン酸への変換
- エリミニル化、ホスホトレオニンとホスホセリンのβ脱離、またはトレオニンとセリンの脱水によるアルケンへの変換[22]
構造変化
- ジスルフィド結合、2つのシステインアミノ酸の共有結合
- リジン-システイン架橋、1つのリジンと1つまたは2つのシステイン残基が酸素原子を介して共有結合した構造（NOSおよびSONOS架橋）[23]
- タンパク質分解による切断、ペプチド結合におけるタンパク質の切断
- アスパラギン酸またはアスパラギン酸アミノ酸残基の環化によるイソアスパラギン酸の形成
- ラセミ化
- タンパク質セリンエピメラーゼによるセリンの
- カエルのオピオイドペプチドであるデルモルフィン中のアラニン
- カエルのオピオイドペプチドであるデルトルフィンのメチオニン
- タンパク質スプライシング、 mRNA処理に類似したインテインの自己触媒的除去
統計
頻度別の一般的なPTM
2011年には、スイスプロットデータベースのプロテオーム全体の情報を使用して、実験的および推定的に検出された各翻訳後修飾の統計がまとめられました。[24]実験的に発見された最も一般的な10の修飾は次のとおりです。[25]
残基別の一般的なPTM
特定のアミノ酸残基に対する一般的な翻訳後修飾をいくつか以下に示します。特に明記しない限り、修飾は側鎖で発生します。
データベースとツール
タンパク質配列には、修飾酵素によって認識される配列モチーフが含まれており、PTM データベースで文書化または予測できます。多数のさまざまな修飾が発見されているため、この種の情報をデータベースに文書化する必要があります。PTM 情報は、実験的な手段で収集することも、高品質の手動でキュレートされたデータから予測することもできます。多数のデータベースが作成されており、多くの場合、特定の分類グループ (ヒトタンパク質など) やその他の機能に重点が置かれています。
リソースのリスト
- PhosphoSitePlus [27] – 哺乳類タンパク質の翻訳後修飾の研究のための包括的な情報とツールのデータベース
- ProteomeScout [28] – 実験的にタンパク質と翻訳後修飾を解析したデータベース
- ヒトタンパク質参照データベース[28] – さまざまな修飾のデータベースであり、さまざまなタンパク質、そのクラス、および疾患を引き起こすタンパク質に関連する機能/プロセスを理解する。
- PROSITE [29] – サイトを含む多くのタイプのPTMのコンセンサスパターンのデータベース
- RESID [30] – PTMの注釈と構造のコレクションからなるデータベース。
- iPTMnet [31] – 複数の知識ベースとテキストマイニングの結果からのPTM情報を統合したデータベース。
- dbPTM [26] – さまざまなPTMとその化学成分/構造に関する情報、およびアミノ酸修飾部位の頻度を示すデータベース
- Uniprot には PTM 情報がありますが、より専門的なデータベースほど包括的ではない可能性があります。
PTMがタンパク質機能と生理学的プロセスに及ぼす影響。[32] - O-GlcNAcデータベース[33] [34] - タンパク質のO-GlcNAc化に関する厳選されたデータベースで、14,000以上のタンパク質エントリと10,000以上のO -GlcNAc部位を参照しています。
ツール
タンパク質とそのPTMを視覚化するソフトウェアのリスト
- PyMOL [35] – タンパク質モデルに共通のPTMのセットを導入する
- 素晴らしい[36] – PTMに対する一塩基多型の役割を確認するためのインタラクティブツール
- キメラ[37] – 分子を視覚化するインタラクティブデータベース
事例紹介
- インスリン生成中のジスルフィド結合の切断と形成
- 転写制御としてのヒストンのPTM ：クロマチン構造によるRNAポリメラーゼ制御
- 転写の制御としてのRNAポリメラーゼIIのPTM
- レクチン特異性にとって重要なポリペプチド鎖の切断[38]
参照
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外部リンク
- dbPTM - タンパク質翻訳後修飾のデータベース
( Wayback Machineコピー)
- ExPASy における翻訳後修飾のリスト
- dcGOデータベースから PTM で SCOP ドメインを参照する
- Swiss-Protデータベースからの各翻訳後修飾の統計
(Wayback Machine コピー)
- AutoMotif Server - タンパク質配列における翻訳後修飾の識別のための計算プロトコル
- 細胞内の標的タンパク質の部位特異的リン酸化の機能解析
- 高精度MSMSによる翻訳後修飾の検出
- 一般的に使用される翻訳後修飾検出技術の概要と説明
