全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 7 期
蛋白质翻译后修饰研究进展
郭会灿
(石家庄职业技术学院化学工程系，石家庄 050081)
摘 要: 翻译后修饰在蛋白质加工、成熟的过程中发挥着重要的作用，它可以改变蛋白质的物理、化学性质，影响蛋白
质的空间构象、立体位阻及其稳定性，进而对蛋白质的生物学活性产生作用，引起蛋白质的功能改变。修饰基团自身的结构
特性对蛋白质的性质、功能也会产生深远的影响。在已有的研究基础上，综述蛋白质翻译后修饰的主要类型以及各修饰作用
潜在的生物学功能。
关键词: 蛋白质翻译后修饰 糖基化 乙酰化 泛素化 磷酸化
Research Progress of Protein Translational Modifications
Guo Huican
(Department of Chemistry，Shijiazhuang Vocational Technology Institute，Shijiazhuang 050081)
Abstract: Posttranslational modifications which play an important role in the course of protein processing as well as protein matu-
ration，could alter the physical and chemical properties of proteins． As a result，the space conformation，three-dimensional location and
stability of proteins would change which may lead to the functional alteration of proteins． Also，the structure features of modified groups
could produce a far-reaching impact on the properties as well as functions of proteins． Based on the existing research，we reviewed the
modifying types and their potential functions during posttranslational modifications in this paper．
Key words: Posttranslational modification Glycosylation Acetylation Polyubiquitination Phosphorylation
收稿日期:2011-02-24
作者简介:郭会灿，女，硕士，讲师，研究方向:生物制药;E-mail:hedongyang1983@ 126． com
生命有机体是一个复杂、动态的系统，时刻进行
着不断的新陈代谢，产生新物质、清除废物质及有害
物质、协调各个部位间的功能发挥。偶尔该系统也
会发生紊乱，引发各种异常功能，出现疾病的症状。
而这所有的一切都依赖于生物大分子蛋白质。蛋白
质是机体内各种功能的执行者，如机体免疫、细胞凋
亡、信号转导、刺激反应及个体发育等。蛋白质功能
的正常发挥决定着有机体能否有序、高效的进行。
体内基因表达产物的正确折叠、空间构象的正
确形成决定了蛋白质的正常功能，而翻译后修饰在
这个成熟过程中发挥着重要的调节作用。因为翻译
后修饰使蛋白质的结构更为复杂，功能更为完善，调
节更为精细，作用更为专一。并且细胞内许多蛋白
质的功能也是通过动态的蛋白质翻译后修饰来调控
的;细胞的许多生理功能，例如细胞对外界环境的应
答［1，2］，也是通过动态的蛋白质翻译后修饰来实现
的。正是这种蛋白质翻译后修饰的作用，使得一个
基因并不只对应一个蛋白质，从而赋予生命过程更
多的复杂性。因此，阐明蛋白质翻译后修饰的类型、
机制及其功能对保障生命有机体的正常运转，预防、
治疗相关的疾病有着重要意义。
1 蛋白质翻译后修饰类型
蛋白质翻译后修饰是一个复杂的过程，目前在
真核生物中 20 种以上的修饰类型，比较常见的为糖
基化、乙酰化、泛素化、磷酸化以及近年发现的 SU-
MO化。
1． 1 糖基化
在真核细胞中普遍存在低聚糖通过糖苷键与蛋
白质上特定的氨基酸共价结合的形式，主要包括 O
糖基化、N 糖基化、C 甘露糖化和 GPI(glycophos-
phatidlyinositol)锚定连接［3］。
O糖基化多发生在临近脯氨酸的丝氨酸或苏氨
2011 年第 7 期 郭会灿:蛋白质翻译后修饰研究进展
酸残基上，糖基化位点处的蛋白多为 β 构型。O 多
聚糖以逐步加接单糖的形式形成低聚糖，主要在高
尔基体与细胞核或细胞质中形成。发生在高尔基体
上的糖基化，起始于丝氨酸和苏氨酸羟基上连接 N-
乙酰半乳糖胺、N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖及海藻糖
等的还原端;发生在细胞核和细胞质中的糖基化是
在丝氨酸或苏氨酸残基上连接一个单糖———N-乙
酰葡萄糖胺。在哺乳动物体内最常见的 O 糖基化
形式是由 GalNAc转移酶催化的 O-GalNAc 糖基化，
进而连接 Gal，GalNAc或者 GlcNAc部分［4，5］。
N糖基化是在内质网上由糖基转移酶催化，在
内分泌蛋白和膜结合蛋白的天冬酰氨残基的氨基上
结合寡糖的过程。普遍认为 N 糖基化发生在蛋白
Asn-Xaa-Ser /Thr(Xaa 为除脯氨酸外的所有氨基酸
残基)序列上。C甘露糖化是将一分子 α-mannopyr-
anosyl残基通过 C-C 键连接到色氨酸吲哚环 C-2
上，这种糖基化方式多发生在模体 W-X-X-W，W-X-
X-C或者W-X-X-F的第一个色氨酸残基上。GPI 锚
定连接指的是磷脂酰 －纤维糖组在靠近蛋白 C 端
部位结合，将蛋白连接到细胞膜上［3，5 － 7］。
1． 2 乙酰化
乙酰化修饰过程主要发生在组蛋白上，是由组蛋
白乙酰转移酶(HATs)催化的，其反过程去乙酰化由
组蛋白去乙酰酶(histone deacetylases，HDs 或者
HDACs)催化的。核心组蛋白的 N-末端富含赖氨
酸，生理条件下带正电，可与带负电的 DNA 或相邻
的核小体发生作用，导致核小体构象紧凑及染色质
高度折叠。乙酰化使组蛋白与 DNA间的作用减弱，
导致染色质构象松散，这种构象有利于转录调节因
子的接近，从而可以和转录因子结合，促进基因的转
录;去乙酰化则抑制基因转录［8，9］。
1． 3 泛素化
虽然泛素化所涉及的是蛋白的降解过程，但是
研究表明这个过程对有机体的有序进行是必不可少
的。泛素由 76 个氨基酸组成，高度保守，普遍存在
于真核细胞内。共价结合泛素的多聚泛素蛋白质能
被 26S蛋白酶体识别并降解，这是细胞内短寿命蛋
白和一些异常蛋白降解的普遍途径。该降解过程中
需要三种酶的参与:泛素激活酶(E1)、泛素结合酶
(E2)和泛素蛋白质连接酶(E3)。其中 E3 负责对
蛋白质的特异性识别，E2 和 E3 介导蛋白酶体的
激活［10，11］。
1． 4 磷酸化
在有机体内，磷酸化是蛋白翻译后修饰中最为
广泛的共价修饰形式，同时也是原核生物和真核生
物中最重要的调控修饰形式。磷酸化对蛋白质功能
的正常发挥起着重要调节作用，涉及多个生理、病理
过程，如细胞信号转导、肿瘤发生、新陈代谢、神经活
动、肌肉收缩以及细胞的增殖、发育和分化等［12，13］。
该过程主要是通过蛋白质磷酸化激酶将 ATP 的末
端磷酸基团转移到蛋白的特定位点上，如 Ser、Thr
和 Tyr残基上，而其逆向过程则由蛋白质磷酸酶去
除相应的磷酸基团。正是这两种酶的相反作用及其
中所涉及到的能量消耗与生成使磷酸化成为体内很
多生理活动调控的首先方式，并且是目前所知的最
主要的信号传导方式［14］。
1． 5 SUMO化
小泛素相关修饰物(small ubiquitin-related mod-
ifier，SUMO)分子是一种近年发现的泛素样分子，也
参与蛋白质翻译后修饰，但是不介导靶蛋白的蛋白
酶体降解，而是可逆性修饰靶蛋白，参与靶蛋白的定
位及功能调节过程［15，16］。
SUMO是由多个成员组成的蛋白质家族。酵母
和果蝇各有 1 个 SUMO 编码基因;哺乳动物至少有
3 个，分别表达 SUMO1、SUMO2 和 SUMO3;植物可
能表达 8 种 SUMO。1995 年Meluh和 Koshland在酿
酒酵母中发现一种新的蛋白质 Smt3，这是关于 SU-
MO的最早报道。而 SUMO 这一名称是 Mahajan 等
于 1997 年首先提出来的。SUMO 含有 100 个左右
氨基酸残基，其 C 端与泛蛋白有 18%同源性，并且
两者的四级结构都具有典型的“泛蛋白折叠”。与
泛蛋白不同的是，SUMO 的 N 端有一段长度可变的
无序区，大概含有 15 － 20 个氨基酸残基，可能参与
介导蛋白质之间相互作用［15，17］。
2 蛋白质翻译后修饰的生物学功能
如前文所述，修饰基团的引入可能会改变蛋白
质的理化性质、结构稳定和空间构象，从而引起蛋白
质的功能改变甚至异常，进而导致疾病的发生。
大量研究表明，糖基化在免疫保护、病毒的复
制、细胞生长、细胞与细胞之间的黏附、炎症的产生
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 7 期
等过程中发挥重要作用，并且很多蛋白，如转录因
子、核小孔蛋白、热休克蛋白、RNA 聚合酶Ⅱ、致癌
基因翻译产物、酶等，都发生了不同程度的糖基化修
饰。大量文献报道糖基化的紊乱与迅速发展的肌营
养不良相关，Muntoni 等［18］通过对糖基转移酶活性
的鉴定，发现导致肌肉营养失调的新机制，在其研究
的所有病例中，普遍存在非正常的 α-dystroglycan 糖
基化。在帕金森病、风湿性关节炎和其他与自由基
相关的疾病患者体内，检测到铁转移蛋白糖基化水
平过高［19］。
泛素化对于细胞分化、细胞器的生物合成、细胞
凋亡、DNA 修复、新蛋白生成、调控细胞增殖、蛋白
质输运、免疫应答和应激反应等生理过程都起到重
要的作用。研究表明，在神经元包含体中含有泛素
化的纤维状蛋白沉积物，是多种人类神经退行性疾
病如老年痴呆、帕金森病的主要特征。Engelender
等［20］发现，Lewy 体中存在泛素连接酶 E3 SIAH-1，
SIAH-2 与 Synphilin-1 的相互作用。Synphilin-1 /SI-
AH 复合物无法水解，导致生成了大量泛素化的细
胞内含物。
磷酸化对生命活动起着重要调节作用，它的异
常与癌症有着微妙的关系。在癌症研究中发现，微
管蛋白的磷酸化可能导致癌症的发生。细胞中使用
“最后检验点策略”(LCP)控制细胞凋亡，即将含有
硝基化酪氨酸的 α-微管蛋白组装到微管上，将导致
微管功能失常而最终导致细胞凋亡。但如果微管蛋
白酪氨酸连接酶(TTL)被磷酸化，将可能使细胞“躲
过”LCP 控制的细胞凋亡，从而最终发展成为癌
细胞［21］。
大量研究表明，SUMO 化修饰通过 Dynamin 相
关蛋白 DRP1 参与线粒体分裂，参与 DNA 损伤修
复、基因组稳定性调节，参与 K2P 离子通道的调控，
同时 SUMO 还是生物节律调节的重要分子［22 － 24］。
SUMO化能影响淀粉样前体蛋白产生淀粉样 β 肽
(Aβ) ，过表达 SUMO23，诱导 SUMO 化蛋白增加可
抑制 Aβ的产生，过表达 SUMO232K11R(其参与形
成多 SUMO链的赖氨酸残基敲除)则可产生相反的
效应，说明单 SUMO化可增强 Aβ 的形成，而多 SU-
MO化则抑制 Aβ的形成。多聚谷氨酸(polyQ)重复
扩增可引起何杰金氏病(HD)、脊髓小脑共济失调、
Machado-Joseph病和延髓脊髓性肌萎缩等神经退行
性疾病。研究显示，患这些疾病的患者受损脑区神
经元 SUMO21 染色增强，说明 SUMO 化修饰也参与
调节 poly Q的重复扩增［17，25，26］。
3 展望
蛋白质的翻译后修饰在生命有机体的正常有序
运转过程中发挥着关键的调节作用，该过程的异常
将直接影响蛋白质功能的执行，从而引发相应的疾
病产生。所以对蛋白质翻译后修饰的深入研究将有
助于人类预防、治疗由其引发的各种异常以及疾病，
从而给人类的生命提供一个保障。进入 21 世纪以
来，随着生命科学技术的飞速发展、计算机图像模拟
的应用、化学合成技术的改进，特别是三者的有机结
合为更深入研究蛋白质翻译后修饰提供了有力的条
件，同时也为改造、修饰已有药用蛋白的结构，获得
更多的药效更高、选择性更好的新的蛋白提供了一
个新途径。
参 考 文 献
［1］郑学学，朱力，廖祥儒，等．细菌中常见的蛋白翻译后修饰． 生物
技术通讯，2009，20(4) :568-571．
［2］郭燕婷，李艳梅，赵玉芬．脂蛋白合成新进展．有机化学，2004，24
(7) :722-727．
［3］Blom N，Sicheritz-Pontén T，Gupta R，et al． Prediction of post-trans-
lational glycosylation and phosphorylation of proteins from the amino
acid sequence． Proteomics，2004(4) :1633-1649．
［4］Hart GW． Dynamic O-linked glycosylation of nuclear and cytoskeletal
proteins． Annu Rev Biochem，1997，66:315-335．
［5］Gavel Y，von Heijne G． Statistical studies of N-glycosylated proteins
have indicated that the frequency of nonglycosylated Asn-Xaa-(Thr /
Ser)sequons increases toward the C terminus． Protein Eng，1990，3:
433-442．
［6］Taylor MT，Drickamer K． Introduction to Glycobiology［M］． Oxford:
Oxford University Press，2002．
［7］Hitchen PG，Dell A． Bacterial glycoproteomics． Microbiology，2006，
152(Pt6) :1575-1580．
［8］Walia H，Chen HY，Sun JM，et al． Histone acetylation is required to
maintain the unfolded nucleosome structure associated with transcri-
bing DNA． J Biol Chem，1998，17:2865-2876．
［9］ Gray MW，Burger G，Lang BF． Mitochondrial evolution． Science，
1999，283(5407) :1476-148．
［10］Fang S，Weissman AM． A field guide to ubiquitylation． Cellular and
Molecular Life Sciences，2004，61:1546-1561．
［11］Pickart CM． Mechanisms underlying ubiquitination． Annu Rev Bio-
02
2011 年第 7 期 郭会灿:蛋白质翻译后修饰研究进展
chem，2001，70:503-533．
［12］Delom F，Chevet E． Phosphoprotein analysis:from proteins to pro-
teomes． Proteome Sci，2006，4:15．
［13］Kennelly PJ，Potts M． Life among the primitives:protein O-phospha-
tases in prokaryotes． Front Biosci，1999，4:D372-385．
［14］Krupa A，Preethi G，Srinivasan N． Structural modes of stabilization
of permissive phosphorylation sites in protein kinases:distinct strat-
egies in Ser /Thr and Tyr kinases． J Mol Biol，2004，339(5) :1025-
1039．
［15］ Dohmen RJ． SUMO protein modification． Biochim Biophys Acta，
2004，1695(1 － 3) :113-131．
［16］ Johnson ES． Protein modification by SUMO． Annu Rev Biochem，
2004，73:3552-3821．
［17］刘世荣． SUMO化修饰:一种多功能的蛋白质翻译后修饰方式．
医学分子生物学杂志，2006，3(3) :212-215．
［18］Muntoni F，Brockington M，Torelli S，et al． Defective glycosylation
in congenital muscular dystrophies． Current Opinion in Neurology，
2004，17(2) :205-209．
［19］van Rensburg SJ，Berman P，Potocnik F，et al． 5-and 6-glycosylation
of transferrin in patients with Alzheimer＇s disease． Metabolic Brain
Disease，2004，19(1 － 2) :89-96．
［20］Engelender S，Kaminsky Z，Guo X，et al． Synphilin-1 associates with
α-synuclein and promotes the formation of cytosolic inclusions． Nat
Genet，1999，22:110-114．
［21］ Idriss HT． Three steps to cancer:how phosphorylation of tubulin，tu-
bulin tyrosine ligase and P-glycoprotein may generate and sustain
cancer． Cancer Chemother Pharmacol，2004，54(2) :101-104．
［22］ Harder Z，Zunino R，Mcbride H． Sumo1 conjugates mitochondrial
substrates and participates in mitochondrial fission． Curr Biol，
2004，14(4) :3402-3451．
［23］Papouli E，Chen S，Davies AA，et al． Crosstalk between SUMO and
ubiquitin on PCNA is mediated by recruitment of the helicase
Srs2p． Mol Cell，2005，19(1) :1232-1331．
［24］Wilson VG，Rosas-Acosta G． Wrestling with SUMO in a new arena．
Sci STKE，2005(290) :pe32．
［25］Li Y，Wang H，Wang S，et al． Positive and negative regulation of
APP amyloidogenesis by sumoylation． PNAS，2003，100 (1) :
259-264．
［26］陈连连，曾照芳．帕金森病相关蛋白 α-Synuclein 翻译后修饰的
研究．激光杂志，2010，31(4) :82-84．
(责任编辑 马鑫)
12