蛋白質組學/翻譯後修飾/蛋白水解加工

章節編輯和更新者：Vrunda Sheth 和 Priyanka Yadlapati
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本節

簡介

蛋白水解加工是翻譯後修飾的一種主要形式，當蛋白酶切割目標蛋白中的一個或多個鍵以改變其活性時發生。這種加工可能導致蛋白質活性的啟用、抑制或破壞。許多細胞過程都是由蛋白水解加工觸發的。攻擊性蛋白酶可以從目標蛋白的任一端去除肽段，但它也可以切割蛋白質中的內部鍵，從而導致蛋白質結構和功能發生重大變化。

前體蛋白

胱天蛋白酶-8 對BID的切割

許多蛋白質被合成成為無活性的前體，這些前體可以被稱為前體蛋白，或者在酶的情況下被稱為酶原。這些前體蛋白在一個組織或器官中合成，運輸到另一個組織或器官，並在那裡透過蛋白水解加工被啟用。

此圖顯示了蛋白水解切割的例子，它導致了BID在細胞凋亡（程式性細胞死亡）過程中的啟用。BID 是一種促凋亡蛋白，包含 BH3 結構域，也稱為死亡結構域。胱天蛋白酶-8 是一種蛋白酶，在凋亡訊號存在的情況下切割 BID，以繼續凋亡過程。

蛋白水解加工是一個高度特異性的過程。蛋白水解加工的機制根據被加工的蛋白質、蛋白質的位置和蛋白酶而有所不同。沒有蛋白水解加工的通用經驗法則。因此，本節提供了蛋白水解加工的不同例子。

分泌途徑中的蛋白水解加工

蛋白水解前體蛋白調節許多細胞過程，包括基因表達、胚胎發生、細胞週期、程式性細胞死亡、細胞內蛋白靶向和內分泌/神經功能。在所有這些過程中，都需要前體蛋白的蛋白水解切割。蛋白水解通常由分泌途徑中的絲氨酸蛋白酶完成。這些蛋白酶是鈣依賴性絲氨酸內肽酶，與酵母和枯草桿菌蛋白酶有關，因此被稱為枯草桿菌蛋白酶樣前體蛋白轉化酶 (SPCs) 或 PCs。在哺乳動物中，已經鑑定和表徵了該家族的七個成員，它們都具有保守的訊號肽、前區、催化和 P 結構域，但在 C 末端結構域方面有所不同。

N 末端前肽的自催化切割激活了這些蛋白酶，這是摺疊和活性以及前結構域釋放所必需的。從先前的研究中已知 P 結構域的摺疊形成了一個八鏈 β 桶，透過疏水斑塊與催化結構域相互作用。摺疊和活性需要 150 個氨基酸的下游結構域。關於 PCs，它們的 C 末端區域在亞細胞定位中起著相當重要的作用。弗林蛋白酶是 SPCs 的七個成員之一，它充當其他 PCs 的模型。前結構域的分子內切割使弗林蛋白酶能夠從內質網 (ER) 中退出。直到被切割的無活性酶原到達反式高爾基網路 (TGN)，在那裡前結構域的解離由富含鈣的環境和酸性 pH 條件促進，前結構域才非共價地附著在它上面。為了完全啟用，在富含鈣的環境和酸性 pH 條件下，前結構域的解離得到了促進，從而使前結構域能夠在第二次切割過程中進一步抑制前結構域。胰島素原、胰高血糖素原和促黑素皮質激素原 (POMC) 是研究得比較透徹的肽激素前體。

PCs 負責切割這些前體中特定位點的切割。最常見的切割位點是 KR 和 RR。胰高血糖素原由 α 細胞中的 PC2 加工，由腸道 L 細胞中的 PC1/PC3 加工，並釋放活性形式的胰高血糖素樣肽，即 GLP-1 和 GLP-2。轉化酶 PC2 和 PC1/PC3 主要在腦和神經內分泌系統中表達，以作用於分泌途徑中的神經肽前體。神經內分泌細胞中的第二信使葡萄糖調節 PC2 和 PC1/PC3 的轉錄和翻譯。其他轉化酶，如睪丸中表達的 PC4 和缺乏 TM 結構域的 PC6 同種型，屬於 PC 家族。最近發現的轉化酶包括 PC7、弗林蛋白酶、PACE4 和 PC6B。這些轉化酶在肝臟、腸道、大腦、神經內分泌系統等組織中表達。除了枯草桿菌蛋白酶樣前體蛋白轉化酶之外，還有許多尚未識別的酶參與單個鹼性殘基和非典型位點的切割。

人體各個器官中蛋白水解加工的例子

• 腎臟蛋白

關於腎臟的蛋白水解加工，我們考慮了人腎素原。這裡討論了人腎素原在腎組織中的蛋白水解加工。也被稱為 PC1 的小鼠前體蛋白轉化酶可以準確地切割腎素原併產生活性腎素。也被稱為 PC3 的人前體蛋白轉化酶也可以加工腎素原以產生腎素，但效率不如 mPC1。這是因為 PC1 到雜合 hPC1/mPC1 的羧基末端序列存在差異。人腎素原在 PC1 中的切割發生在一對鹼性氨基酸上，透過從其氨基末端去除 43 個氨基酸前段，同時鑑定了 hPC1 中的功能性重要位點。此外，PC1 在腎上腺髓質和其他組織（如某些腎上腺腫瘤）中產生活性腎素。如果人腎素原在切割位點具有 Lys 或 Arg 殘基，則 hPC1 無法產生活性腎素。

• 血液蛋白

Kell 血型蛋白屬於金屬內肽酶家族。它是一種膜糖蛋白，並具有五元鋅結合共有序列。它保留了內肽酶活性所需的所有氨基酸。 Kell 血型蛋白與 M13 家族具有同源性，其中一個二硫鍵共價連線到名為 XK 的蛋白質，該蛋白質跨越膜 10 次，而 Kell 蛋白則連線到位於第五個細胞外環的 XK 上。 Kell 蛋白可以啟用內皮素並處理生物活性肽。

• 人腦血影蛋白

Fodrin，人腦α血影蛋白在神經系統中起著重要作用，但其機制尚未完全瞭解。其同種型存在於細胞內，以及一些神經遞質神經元中。它被鈣依賴性蛋白酶蛋白水解處理。Fodrin 的這種處理是長期記憶形成的核心分子機制。Foldrin 在其中心具有一個蛋白水解敏感位點，用於切割。鈣依賴性結合鈣調蛋白發生在這個位點。

自加工

這是一個蛋白質自身修飾的過程，將前體蛋白轉化為活性蛋白。一個典型的例子是弗林家族內肽酶的自加工。弗林是最廣泛使用的蛋白水解加工酶，主要功能是切割維持細胞生理所需的蛋白質。弗林蛋白酶家族也被稱為 PACE 家族。該家族已鑑定出 7 個成員，其中弗林是最重要的蛋白質。大多數 PACE 家族成員在反式高爾基網路中活躍。弗林是一種跨膜蛋白，合成時為 100 KDa 蛋白。這種蛋白質在內質網中經歷催化切割，變成活性弗林，為 94 KDa。然而，前體蛋白仍然與蛋白質結合，並作為弗林抑制劑。多肽在反式高爾基網路中釋放，在那裡弗林變得活躍。

弗林蛋白水解加工的一個例子是前纖連蛋白的加工。纖連蛋白-1 是一種糖蛋白，是細胞外基質的主要成分。它在反式高爾基網路中對其 C 端結構域進行蛋白水解切割，形成纖連蛋白-1。

人類免疫缺陷病毒 1 型的蛋白水解加工

多蛋白前體被加工以形成產生逆轉錄病毒顆粒的蛋白質。其中一個前體是病毒蛋白酶，它自身加工前體。這種病毒蛋白酶在病毒組裝過程中切割逆轉錄病毒前體蛋白。完全感染性的病毒顆粒是由精確的蛋白酶介導的前體加工產生的，如果切割順序發生變化，會導致感染性較低的病毒顆粒。為了變得活躍，蛋白酶必須形成二聚體。加工事件首先由嵌入的 PR 在從 GagPol 前體釋放之前進行。一個 GagPol 分子對上的啟用的蛋白酶結構域切割這些分子上的初始位點。在蛋白酶中的第一個氨基酸（脯氨酸）處的進一步取代，消除了這種限制，並釋放了 GagPol 中的蛋白酶結構域，以便切割前體中未被野生型嵌入蛋白酶切割的額外天然加工位點。

蛋白水解加工 - 在治療中的作用

某些蛋白質可以透過與特定位點結合並改變其活性來修飾其他蛋白質的事實，被用作開發某些現代療法的原理。以下是一個如何利用蛋白水解加工過程來尋找治療疾病方法的例子。人類冠狀病毒是成人和兒童常見呼吸道疾病的病原體。目前還沒有治療 CoV 的方法，因此正在利用蛋白水解加工來尋找新的藥物靶點。對 HCoV-NL63 病毒的生化分析顯示出 2 種病毒木瓜蛋白酶樣蛋白酶 PLP1 和 PLP2，它們加工病毒複製酶多蛋白。在這種情況下，它們針對複製酶的兩個非結構蛋白 nsp3 和 nsp4 生成了多克隆抗血清。研究發現，PLP1 加工切割位點以釋放 1 來釋放 nsp1，而 PLP2 釋放 nsp2 和 nsp3。此外，透過使用針對去泛素化酶的六泛素底物和泛素乙烯基磺酸抑制劑進一步表明，CoV 具有去泛素化活性。瞭解蛋白水解加工和 PLP 的去泛素化概念，可以為開發針對 HCoV 的新型抗血清試劑鋪平道路。

蛋白水解加工的致命影響

蛋白水解加工不僅有助於執行正常的細胞過程，而且還會導致蛋白質的加工產生致命蛋白質。蛋白水解加工產生致命蛋白質的一個典型例子是奈瑟頓綜合徵的發展。奈瑟頓綜合徵是一種常染色體隱性遺傳的先天性綜合徵，會導致魚鱗病紅皮病，這是由人類 SPINK5 中的突變引起的。對奈瑟頓綜合徵的生化分析表明，profilaggrin 蛋白水解加工成其組成的絲聚蛋白單體增加。絲聚蛋白加工缺陷會導致魚鱗病等先天性疾病。SPINX5 經歷了極端的蛋白水解加工，推測弗林參與了 SPINX5 的蛋白水解加工，但加工的確切程度還有待確定。在沒有絲氨酸蛋白酶抑制劑 SPHINX5 的情況下，profilaggrin 的加工異常增加，導致絲聚蛋白單體產量增加，導致表皮屏障功能嚴重受損。