Посттрансляционные модификации белков - удивительный механизм, позволяющий клетке создавать огромное разнообразие функционально активных белков из ограниченного набора генов. Эти модификации регулируют всю жизнь клетки - от синтеза белков до их распада. Давайте разберемся, как именно небольшие химические преобразования белков после их синтеза помогают клетке выполнять свои многочисленные функции.
1. Основные виды посттрансляционных модификаций белков
Посттрансляционные модификации белков - это ковалентные химические изменения белков после завершения их синтеза на рибосомах. Они являются важной частью процесса экспрессии генов в клетке. Благодаря этим модификациям клетка может создавать функционально разнообразные белки из ограниченного числа генов.
На сегодняшний день известно более 200 типов посттрансляционных модификаций белков. Считается, что подавляющее большинство белков в клетке подвергаются как минимум одному виду таких модификаций. К наиболее распространенным и хорошо изученным посттрансляционным модификациям относятся:
- Фосфорилирование - присоединение фосфатной группы к серину, треонину или тирозину;
- Гликозилирование - присоединение углеводных фрагментов;
- Ацетилирование - присоединение ацетильной группы;
- Метилирование - присоединение метильной группы;
- Убиквитинилирование - присоединение белка убиквитина.
Эти модификации катализируются различными ферментами. Например, фосфорилирование осуществляется киназами, гликозилирование - гликозилтрансферазами, убиквитинилирование - системой ферментов E1, E2 и Е3.
Посттрансляционные модификации влияют на разные свойства белков - их конформацию, активность, взаимодействия с другими белками, локализацию в клетке. Так, модифицированные белки могут перемещаться в другие клеточные компартменты, изменять скорость биохимических реакций, которые они катализируют, активировать или подавлять работу других белков.
Один и тот же белок может подвергаться разным типам модификаций и нести сразу несколько «меток». Например, хорошо известный белок р53, контролирующий клеточный цикл, фосфорилируется, ацетилируется и гликозилируется. Это позволяет регулировать его активность по-разному в ответ на многочисленные сигналы в клетке.
2. Механизм сумоилирования
Одним из видов посттрансляционных модификаций белков является 1сумоилирование. Это присоединение к белку небольшого белка SUMO (Small Ubiquitin-like MOdifier). По механизму сумоилирование схоже с убиквитинированием, но в отличие от него не запускает разрушение белка в протеасоме.
Процесс сумоилирования состоит из нескольких стадий:
- Созревание. Белок SUMO подвергается протеолитическому расщеплению, чтобы освободить место конъюгации с субстратом.
- Активация. SUMO активируется ферментом Е1.
- Конъюгация. Активированный SUMO переносится на фермент Е2, а затем ковалентно присоединяется к субстрату.
- Деконъюгация. При необходимости SUMO может быть отсоединен от субстрата.
На одну молекулу белка-субстрата может присоединяться один остаток SUMO (моносумоилирование) или целая цепочка из остатков SUMO (полисумоилирование).
У человека и других млекопитающих обнаружено несколько изоформ белка SUMO - SUMO1, SUMO2, SUMO3. Они имеют схожее строение, но различаются по некоторым функциональным особенностям.
Сумоилированию подвергаются сотни различных белков в клетке. Эта модификация влияет на их активность, взаимодействия с партнерами и локализацию. Давайте подробнее разберем, какую роль играет сумоилирование в регуляции важнейших клеточных процессов.
3. Регуляция клеточной локализации белков
Одним из основных эффектов сумоилирования является изменение локализации белков в клетке. Так, сумоилирование белка RanGAP1, участвующего в транспорте молекул через ядерную мембрану, необходимо для его правильного расположения на наружной поверхности ядра.
Еще один пример - белок DJ-1, мутации в котором связывают с болезнью Паркинсона. Сумоилирование регулирует его транспорт в ядро, где DJ-1 может подавлять активность белка-регулятора апоптоза p53.
4. Регуляция транскрипционной активности
Сумоилирование оказывает существенное влияние на способность многих белков активировать или подавлять транскрипцию генов. Оно может как повышать, так и понижать транскрипционную активность в зависимости от конкретного белка.
Например, сумоилирование факторов Sp3, c-Jun, c-Myb, Elk1 и некоторых других приводит к подавлению их способности активировать экспрессию генов-мишеней. В то же время для других белков, таких как HIC1, сумоилирование, наоборот, усиливает репрессорную активность.
5. Роль сумоилирования в клеточном цикле
Некоторые данные указывают на вовлечение сумоилирования в регуляцию клеточного цикла и процессов деления клетки. Так, в митозе сумоилированию подвергается белок CENP-E, который играет важную роль в прикреплении хромосом к веретену деления.
Кроме того, сумоилирование белка RanGAP1 необходимо для нормального протекания митоза. Таким образом, эта посттрансляционная модификация помогает координировать сложные процессы деления клетки.
6. Котрансляционные и посттрансляционные модификации белков
Помимо посттрансляционных, существуют и котрансляционные модификации белков. Они происходят уже на стадии синтеза полипептидной цепи на рибосоме.
К таким модификациям относится, например, удаление сигнального пептида при синтезе секреторных и мембранных белков. Также на этапе трансляции может происходить котрансляционное фосфорилирование некоторых белков.
7. Сумоилирование и нейродегенеративные заболевания
Интересные данные получены о роли сумоилирования в патогенезе нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Например, показано, что этот процесс необходим для нормальной работы белка DJ-1, мутации которого приводят к раннему развитию болезни Паркинсона.
Кроме того, изменения уровня сумоилирования отдельных белков в нейронах коррелирует со степенью поражения мозга при болезни Альцгеймера. Таким образом, регуляция сумоилирования может иметь значение для сохранения функций нервной системы при старении.
8. Методы изучения сумоилирования
Для анализа сумоилирования белков в клетках используются различные биохимические и молекулярно-генетические методы - иммуноблотинг с антителами к SUMO, масс-спектрометрия, экспрессия мутантных форм SUMO и ферментов конъюгации/деконъюгации.
Перспективным подходом является применение технологий редактирования генома (CRISPR/Cas9) для изучения роли сумоилирования отдельных белков путем введения точечных мутаций в соответствующие сайты модификации.
9. Сумоилирование как мишень для терапии
Исходя из данных о вовлечении сумоилирования в патогенез ряда заболеваний, предпринимаются попытки воздействовать на этот процесс с помощью лекарственных препаратов. Разрабатываются ингибиторы ферментов, катализирующих присоединение и отщепление SUMO.
Такой подход может позволить восстановить нормальный уровень сумоилирования в патологически измененных клетках и тканях, что открывает новые перспективы для терапии нейродегенеративных и онкологических заболеваний.
10. Перспективы изучения сумоилирования
Несмотря на полученные данные о функциональной значимости сумоилирования, многие вопросы в этой области остаются открытыми. Предстоит выяснить полный спектр белков, подвергающихся этой модификации, детально изучить ее роль в регуляции клеточных процессов и связь с патогенезом заболеваний.
Развитие методов протеомного анализа и геномного редактирования открывает широкие возможности для дальнейшего исследования молекулярных механизмов и биологической роли сумоилирования в норме и при патологических состояниях.
