翻译后修饰蛋白质的合成策略

【摘 要】蛋白质翻译后的修饰过程对蛋白质的结构及功能会产生很大的影响.近年来为了探索特定的修饰对蛋白质结构和功能的影响,科研工作者进行了深入、广泛的研究.现就近年来新发展起来含修饰位点的翻译后蛋白质的合成策略进行综述.

【关 键 词 】翻译后修饰蛋白质；合成策略；琥珀子抑制；标记及后修饰；天然化学链接

【中图分类号】R19 【文献标识码】B 【文章编号】1004-7484（2013）04-0156-01

1.前言

通过基因转录和翻译得到的蛋白质终产物远远多于应有的实际数量,而造成这种现象的主要原因是蛋白质翻译后的修饰过程.

蛋白翻译后的修饰影响着蛋白质的结构和理化性质,而这些结构因素进一步决定了蛋白质的功能多样性、稳定性甚至是靶向性.这些修饰可以是静态的亦可以是动态的,由于生命体系等复杂性,在生命体中直接对这些修饰进行研究往往是非常复杂的,因而通过化学生物学手段得到单一类型修饰的翻译后蛋白类似物对于在人类基因组计划的基础上阐明生命的奥秘具有重要意义.

目前,对于翻译后蛋白修饰的手段主要有以下几种：化、磷酸化、糖基化、泛素化、酰基化等[3].虽然这些过程中应用到的底物和化学合成方法有差别,但是在这些修饰过程中所采用的策略和基本理念是基本相同的.这些策略大都通过一些半合成的化学生物学手段来得到目标蛋白,本文对这些基本理念和策略进行归纳总结.

2.直接利用琥珀子抑制（Amber Codon Suppression-ACS）将合成的氨基酸类似物引入蛋白质

通过三联系统,核糖体能够以信使RNA为模板,通过其与携带有氨基酸的转运RNA的互补合成包括20种不同氨基酸的多肽序列.在多数生命体中,都存在终止子,正常情况下,翻译完成后,这些子会与释放因子结合从而导致翻译的终结.但是,研究发现,一些特定的有机体并没有严格的遵守这一规律,它们之中存在转运RNA/转运RNA合酶对,因而在琥珀终止子存在的位置仍然能够引入氨基酸.将基因突变与表达结合起来,在含有转运RNA/转运RNA合酶对的细胞系中可以将非天然的氨基酸直接引入到蛋白中的特定位点.

首先通过对转运RNA随机突变筛选的方法得到含有突变基因的转运RNA,然后琥珀子可以对突变之后的转运RNA进行特异性识别,由转运RNA合酶将特定的非天然氨基酸引入到特定的位置中[2].目前,关于这一领域的研究焦点主要集中于宿主中释放因子与转运RNA/转运RNA合酶对的竞争方面.这一方法的主要优点在于可以直接将目标氨基酸引入蛋白质中,但是目前最多还是只能在蛋白质中引入一个氨基酸,而且寻找筛选合适的突变转运RNA以及较为繁琐的基因工程操作也限制了这种方法的进一步发展.

3.通过“标签加后修饰“（tag and modify）的方法进行修饰

对翻译后修饰蛋白质进行合成的第二种方法即“标记加后修饰”的方法,这种方法包括两个步骤：标签,以及修饰[3].首先,通过共转录的方式将一个小的化学修饰引入到蛋白质的特定位点,在对蛋白质纯化之后,然后再通过选择性的、生物正交性的化学反应对这一位点进行修饰.反应的标签可以是天然的或者非天然的氨基酸,目前天然的氨基酸主要是半胱氨酸,非天然的氨基酸中应用最多的是L-高丙氨酸（L-Aha）以及一些磷酸盐类似物.此外,化学生物学家还发展出了一系列的生物正交性反应来对引入的标签进行修饰,目前其中代表性的反应主要有施陶丁格反应以及铜（I）催化的叠氮与炔的Huisgen缩合反应.这些反应因为其生物兼容性,在化学生物学领域正在发挥着越来越重要的作用.

4.利用天然化学链接（Native Chemical Ligation-NCL）或者表达蛋白链接（Expressed Protein Ligation-EPL）的策略

天然化学链接以及表达蛋白链接是指通过碳末端硫酯与氮末端半胱氨酸残基的反应来实现多肽与蛋白片段缩合的技术.两者的区别在于硫酯和半胱氨酸残基所处的位置正好相反,天然化学链接的硫酯位于多肽上（半胱氨酸位于蛋白质上）,而表达蛋白链接的硫酯则位于蛋白片段上（半胱氨酸位于多肽上）.这种策略也主要包括两个步骤：1.多肽的合成；2.多肽与蛋白片段的缩合.首先需要合成含有修饰氨基酸的多肽,然后这个多肽需要进一步与表达得到的目标蛋白质余下的残基进行缩合来进一步得到修饰后的蛋白质.由于多肽合成技术的限制,目前人工合成多肽的长度一般情况下只能达到40-50个氨基酸,因而这种方法只能应用于蛋白质C-末端或者N-末端的修饰.

5.总结

虽然在将合成的蛋白质应用于解释生命奥秘方面已经有大量的实例,但是这些研究大都集中于一些特定的生物学热点和模型蛋白,仍然有很多未知的领域有待于探索.此外,对于不同翻译后蛋白质的修饰方法之间的相互作用仍然很少有研究涉及,而这对于研究生命过程也是不可或缺的.希望本文中提到的策略能够让读者对翻译后修饰蛋白质的合成方法有一个系统的认识和了解,相信随着研究的不断深入,文中提到的这些策略和方式一定会在翻译后蛋白质和多肽的合成中发挥更重要的作用.