蛋白质组学/翻译后修饰/蛋白水解加工

章节编辑和更新者：Vrunda Sheth 和 Priyanka Yadlapati
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本节

简介

蛋白水解加工是翻译后修饰的一种主要形式，当蛋白酶切割目标蛋白中的一个或多个键以改变其活性时发生。这种加工可能导致蛋白质活性的激活、抑制或破坏。许多细胞过程都是由蛋白水解加工触发的。攻击性蛋白酶可以从目标蛋白的任一端去除肽段，但它也可以切割蛋白质中的内部键，从而导致蛋白质结构和功能发生重大变化。

前体蛋白

胱天蛋白酶-8 对BID的切割

许多蛋白质被合成成为无活性的前体，这些前体可以被称为前体蛋白，或者在酶的情况下被称为酶原。这些前体蛋白在一个组织或器官中合成，运输到另一个组织或器官，并在那里通过蛋白水解加工被激活。

此图显示了蛋白水解切割的例子，它导致了BID在细胞凋亡（程序性细胞死亡）过程中的激活。BID 是一种促凋亡蛋白，包含 BH3 结构域，也称为死亡结构域。胱天蛋白酶-8 是一种蛋白酶，在凋亡信号存在的情况下切割 BID，以继续凋亡过程。

蛋白水解加工是一个高度特异性的过程。蛋白水解加工的机制根据被加工的蛋白质、蛋白质的位置和蛋白酶而有所不同。没有蛋白水解加工的通用经验法则。因此，本节提供了蛋白水解加工的不同例子。

分泌途径中的蛋白水解加工

蛋白水解前体蛋白调节许多细胞过程，包括基因表达、胚胎发生、细胞周期、程序性细胞死亡、细胞内蛋白靶向和内分泌/神经功能。在所有这些过程中，都需要前体蛋白的蛋白水解切割。蛋白水解通常由分泌途径中的丝氨酸蛋白酶完成。这些蛋白酶是钙依赖性丝氨酸内肽酶，与酵母和枯草杆菌蛋白酶有关，因此被称为枯草杆菌蛋白酶样前体蛋白转化酶 (SPCs) 或 PCs。在哺乳动物中，已经鉴定和表征了该家族的七个成员，它们都具有保守的信号肽、前区、催化和 P 结构域，但在 C 末端结构域方面有所不同。

N 末端前肽的自催化切割激活了这些蛋白酶，这是折叠和活性以及前结构域释放所必需的。从先前的研究中已知 P 结构域的折叠形成了一个八链 β 桶，通过疏水斑块与催化结构域相互作用。折叠和活性需要 150 个氨基酸的下游结构域。关于 PCs，它们的 C 末端区域在亚细胞定位中起着相当重要的作用。弗林蛋白酶是 SPCs 的七个成员之一，它充当其他 PCs 的模型。前结构域的分子内切割使弗林蛋白酶能够从内质网 (ER) 中退出。直到被切割的无活性酶原到达反式高尔基网络 (TGN)，在那里前结构域的解离由富含钙的环境和酸性 pH 条件促进，前结构域才非共价地附着在它上面。为了完全激活，在富含钙的环境和酸性 pH 条件下，前结构域的解离得到了促进，从而使前结构域能够在第二次切割过程中进一步抑制前结构域。胰岛素原、胰高血糖素原和促黑素皮质激素原 (POMC) 是研究得比较透彻的肽激素前体。

PCs 负责切割这些前体中特定位点的切割。最常见的切割位点是 KR 和 RR。胰高血糖素原由 α 细胞中的 PC2 加工，由肠道 L 细胞中的 PC1/PC3 加工，并释放活性形式的胰高血糖素样肽，即 GLP-1 和 GLP-2。转化酶 PC2 和 PC1/PC3 主要在脑和神经内分泌系统中表达，以作用于分泌途径中的神经肽前体。神经内分泌细胞中的第二信使葡萄糖调节 PC2 和 PC1/PC3 的转录和翻译。其他转化酶，如睾丸中表达的 PC4 和缺乏 TM 结构域的 PC6 同种型，属于 PC 家族。最近发现的转化酶包括 PC7、弗林蛋白酶、PACE4 和 PC6B。这些转化酶在肝脏、肠道、大脑、神经内分泌系统等组织中表达。除了枯草杆菌蛋白酶样前体蛋白转化酶之外，还有许多尚未识别的酶参与单个碱性残基和非典型位点的切割。

人体各个器官中蛋白水解加工的例子

• 肾脏蛋白

关于肾脏的蛋白水解加工，我们考虑了人肾素原。这里讨论了人肾素原在肾组织中的蛋白水解加工。也被称为 PC1 的小鼠前体蛋白转化酶可以准确地切割肾素原并产生活性肾素。也被称为 PC3 的人前体蛋白转化酶也可以加工肾素原以产生肾素，但效率不如 mPC1。这是因为 PC1 到杂合 hPC1/mPC1 的羧基末端序列存在差异。人肾素原在 PC1 中的切割发生在一对碱性氨基酸上，通过从其氨基末端去除 43 个氨基酸前段，同时鉴定了 hPC1 中的功能性重要位点。此外，PC1 在肾上腺髓质和其他组织（如某些肾上腺肿瘤）中产生活性肾素。如果人肾素原在切割位点具有 Lys 或 Arg 残基，则 hPC1 无法产生活性肾素。

• 血液蛋白

Kell 血型蛋白属于金属内肽酶家族。它是一种膜糖蛋白，并具有五元锌结合共有序列。它保留了内肽酶活性所需的所有氨基酸。 Kell 血型蛋白与 M13 家族具有同源性，其中一个二硫键共价连接到名为 XK 的蛋白质，该蛋白质跨越膜 10 次，而 Kell 蛋白则连接到位于第五个细胞外环的 XK 上。 Kell 蛋白可以激活内皮素并处理生物活性肽。

• 人脑血影蛋白

Fodrin，人脑α血影蛋白在神经系统中起着重要作用，但其机制尚未完全了解。其同种型存在于细胞内，以及一些神经递质神经元中。它被钙依赖性蛋白酶蛋白水解处理。Fodrin 的这种处理是长期记忆形成的核心分子机制。Foldrin 在其中心具有一个蛋白水解敏感位点，用于切割。钙依赖性结合钙调蛋白发生在这个位点。

自加工

这是一个蛋白质自身修饰的过程，将前体蛋白转化为活性蛋白。一个典型的例子是弗林家族内肽酶的自加工。弗林是最广泛使用的蛋白水解加工酶，主要功能是切割维持细胞生理所需的蛋白质。弗林蛋白酶家族也被称为 PACE 家族。该家族已鉴定出 7 个成员，其中弗林是最重要的蛋白质。大多数 PACE 家族成员在反式高尔基网络中活跃。弗林是一种跨膜蛋白，合成时为 100 KDa 蛋白。这种蛋白质在内质网中经历催化切割，变成活性弗林，为 94 KDa。然而，前体蛋白仍然与蛋白质结合，并作为弗林抑制剂。多肽在反式高尔基网络中释放，在那里弗林变得活跃。

弗林蛋白水解加工的一个例子是前纤连蛋白的加工。纤连蛋白-1 是一种糖蛋白，是细胞外基质的主要成分。它在反式高尔基网络中对其 C 端结构域进行蛋白水解切割，形成纤连蛋白-1。

人类免疫缺陷病毒 1 型的蛋白水解加工

多蛋白前体被加工以形成产生逆转录病毒颗粒的蛋白质。其中一个前体是病毒蛋白酶，它自身加工前体。这种病毒蛋白酶在病毒组装过程中切割逆转录病毒前体蛋白。完全感染性的病毒颗粒是由精确的蛋白酶介导的前体加工产生的，如果切割顺序发生变化，会导致感染性较低的病毒颗粒。为了变得活跃，蛋白酶必须形成二聚体。加工事件首先由嵌入的 PR 在从 GagPol 前体释放之前进行。一个 GagPol 分子对上的激活的蛋白酶结构域切割这些分子上的初始位点。在蛋白酶中的第一个氨基酸（脯氨酸）处的进一步取代，消除了这种限制，并释放了 GagPol 中的蛋白酶结构域，以便切割前体中未被野生型嵌入蛋白酶切割的额外天然加工位点。

蛋白水解加工 - 在治疗中的作用

某些蛋白质可以通过与特定位点结合并改变其活性来修饰其他蛋白质的事实，被用作开发某些现代疗法的原理。以下是一个如何利用蛋白水解加工过程来寻找治疗疾病方法的例子。人类冠状病毒是成人和儿童常见呼吸道疾病的病原体。目前还没有治疗 CoV 的方法，因此正在利用蛋白水解加工来寻找新的药物靶点。对 HCoV-NL63 病毒的生化分析显示出 2 种病毒木瓜蛋白酶样蛋白酶 PLP1 和 PLP2，它们加工病毒复制酶多蛋白。在这种情况下，它们针对复制酶的两个非结构蛋白 nsp3 和 nsp4 生成了多克隆抗血清。研究发现，PLP1 加工切割位点以释放 1 来释放 nsp1，而 PLP2 释放 nsp2 和 nsp3。此外，通过使用针对去泛素化酶的六泛素底物和泛素乙烯基磺酸抑制剂进一步表明，CoV 具有去泛素化活性。了解蛋白水解加工和 PLP 的去泛素化概念，可以为开发针对 HCoV 的新型抗血清试剂铺平道路。

蛋白水解加工的致命影响

蛋白水解加工不仅有助于执行正常的细胞过程，而且还会导致蛋白质的加工产生致命蛋白质。蛋白水解加工产生致命蛋白质的一个典型例子是奈瑟顿综合征的发展。奈瑟顿综合征是一种常染色体隐性遗传的先天性综合征，会导致鱼鳞病红皮病，这是由人类 SPINK5 中的突变引起的。对奈瑟顿综合征的生化分析表明，profilaggrin 蛋白水解加工成其组成的丝聚蛋白单体增加。丝聚蛋白加工缺陷会导致鱼鳞病等先天性疾病。SPINX5 经历了极端的蛋白水解加工，推测弗林参与了 SPINX5 的蛋白水解加工，但加工的确切程度还有待确定。在没有丝氨酸蛋白酶抑制剂 SPHINX5 的情况下，profilaggrin 的加工异常增加，导致丝聚蛋白单体产量增加，导致表皮屏障功能严重受损。