蛋白翻譯后修飾 (post-translational modifications，PTMs) 指的是在蛋白質(zhì)氨基酸殘基根據(jù)發(fā)育和生理時間尺度的要求動態(tài)通過添加或移除特定的基團進而調(diào)節(jié)蛋白活性、定位、表達以及與其他細胞分子相互作用的一種調(diào)控方式。PTMs包括磷酸化、糖基化、泛素化、亞硝基化、甲基化、乙�；�、脂質(zhì)化、棕櫚�；�、氨甲�；�、豆蔻�；�和蛋白水解等，目前在哺乳類動物中發(fā)現(xiàn)有超過500種的修飾方法，不同修飾對于蛋白的有不同的作用^[1]。

PTMs是細胞信號傳導(dǎo)中的重要組成部分，通過改變蛋白質(zhì)構(gòu)象、定位、活性、穩(wěn)定性、電荷和與其他生物分子的相互作用，最終改變了細胞的表型和生物過程。小分子、脂質(zhì)、碳水化合物和多肽也能被添加到氨基酸側(cè)鏈上，形成修飾。因此深入研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾對揭示生命活動的機理、篩選疾病的臨床標志物、鑒定藥物靶點等方面都具有重要意義。 修飾蛋白質(zhì)組學(xué)作為一種分析工具，已經(jīng)被科研工作者廣泛應(yīng)用。一個基于生物質(zhì)譜經(jīng)典的修飾組學(xué)研究思路主要包括以下五個部分：1. 富集修飾肽段，首先提取蛋白混合物并酶解成多肽混合物，然后富集修飾肽段；2. 質(zhì)譜檢測，利用質(zhì)譜方法既可通過檢測氨基酸殘基上的分子質(zhì)量偏移值確定翻譯后修飾的類型，又可根據(jù)多肽在二級質(zhì)譜中的裂解碎片推斷修飾的精確位點；3. 生物信息學(xué)分析，利用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)檢索，進行差異的修飾蛋白分析；4. 確認表型，利用突變體、蛋白KD/KO、抑制劑等傳統(tǒng)生物學(xué)方法進行體外功能實驗；5. 確定表型的作用機制，探究互作的結(jié)構(gòu)域、基序及修飾的位點對酶或底物作相應(yīng)的突變或重組，進行體內(nèi)驗證^[2]。

經(jīng)典的蛋白數(shù)據(jù)庫：1. UniProt (The Universal Protein Resource)；2. PIR (Protein Information Resource)；3. BRENDA (enzyme database)。

經(jīng)典的翻譯后修飾相關(guān)數(shù)據(jù)庫：1. PhosphoSitePlus：用于研究哺乳動物蛋白質(zhì)翻譯后修飾的綜合信息和工具數(shù)據(jù)庫；2. PTMD (PTM that are associated with human Disease)：該數(shù)據(jù)庫從文獻中搜集了不同PTM類型和不同疾病之間關(guān)系的研究證據(jù)；3. Prosite ：預(yù)測蛋白質(zhì)初級結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、理化性質(zhì)和翻譯后修飾位點。

蛋白質(zhì)及其 PTMs 可視化軟件：1. PyMOL；2. AWESOME；3. Chimera。

1. 泛素化

1. 泛素化

泛素化是指泛素分子 (Ub, ubiquitin) 在泛素激活酶 (E1)、泛素結(jié)合酶 (E2) 和泛素連接酶 (E3) 的協(xié)同催化作用下特異性修飾靶蛋白的過程。同時，泛素化是一個被嚴格調(diào)控的可逆過程，去泛素化由去泛素酶 (DUB) 進行，泛素化與去泛素化是胞內(nèi)與蛋白特異性降解相關(guān)的重要生理過程。首先，Ub的 C 端連接到 E1 的半胱氨酸殘基，以 ATP 作為能量形成高能硫酯鍵激活 Ub。然后，E1將活化的Ub通過硫酯化反應(yīng)共價連接到 E2 的半胱氨酸殘基。最后，一些種類不同的 E3 將結(jié)合 E2 活化的 Ub 連接到底物蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基上，不斷重復(fù)上述過程，蛋白質(zhì)泛素鏈化后使其被 26S 蛋白酶體識別并降解成小片段分解為多肽片段和重復(fù)使用的Ub。泛素化參與了細胞周期、凋亡、分化、基因表達、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、信號傳遞、損傷修復(fù)、炎癥免疫等生命活動的調(diào)控，因此，泛素化成為開發(fā)、研究藥物的新靶點。

目前研究泛素化的方法包括針對酶或 26S 蛋白酶體基于活性的探針 (ABP)、基于Ub標簽的實驗、基于質(zhì)譜的泛素化組學(xué)、蛋白泛素化檢測 (IP-WB) 或Ub組合分數(shù)進行泛素化位點分析。

2. SUMO化
SUMO (small ubiquitin-related modifier) 是近年來發(fā)現(xiàn)與泛素類似的蛋白質(zhì)，可由類似泛素化的過程與目標蛋白質(zhì)上特定的賴氨酸支鏈形成共價鍵而修飾蛋白質(zhì)。在發(fā)生修飾前，前體SUMO分子被SUMO特異性蛋白酶加工切割，使其C末端暴露出2個甘氨酸殘基 (Gly-Gly, GG)，形成可用于修飾的成熟形式的SUMO分子SUMO-GG。與蛋白泛素化相似，成熟的SUMO蛋白與一個SUMO化激活酶 (E1) 結(jié)合，以ATP依賴的方式形成硫酯鍵。然后 SUMO被轉(zhuǎn)移到 E2 (Ubc9)，再次形成硫酯鍵。最后，在SUMO E3連接酶的幫助下，SUMO蛋白與底物上特定的賴氨酸殘基形成異肽鍵。除了SUMO化酶，去SUMO化酶也是調(diào)控蛋白SUMO化水平的關(guān)鍵因素，包括SENP家族蛋白。蛋白 SUMO 修飾在細胞周期調(diào)控、細胞代謝、基因轉(zhuǎn)錄、DNA損傷和修復(fù)等眾多細胞生物學(xué)過程中，對底物蛋白質(zhì)的表達、定位和活性進行調(diào)控。與泛素化修飾相比，SUMO化修飾不會介導(dǎo)靶向蛋白質(zhì)進行蛋白水解，而是參與其他調(diào)節(jié)其他生物學(xué)過程，如蛋白穩(wěn)定性、核-胞漿轉(zhuǎn)運、亞細胞定位、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞周期等。

3. 磷酸化
磷酸化由蛋白激酶催化，將ATP γ位磷酸基團轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)氨基酸側(cè)鏈，形成蛋白質(zhì)磷酸化，將疏水非極性蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為親水性極性蛋白質(zhì)。磷酸化靶位點主要發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基上。磷酸化是一種可逆調(diào)節(jié)機制，逆向過程是由蛋白質(zhì)磷酸酶去除相應(yīng)的磷酸基團。磷酸化修飾在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)控細胞增殖、發(fā)育、分化、凋亡過程中起重要作用。

研究蛋白質(zhì)磷酸化的方法包括激酶活性測定、磷酸酶處理、32P-ATP同位素放射性標記自顯影檢測、抗磷酸化蛋白抗體開發(fā)、抗體芯片、ELISA、流式細胞術(shù)、質(zhì)譜分析酶解磷酸化蛋白和磷酸蛋白質(zhì)組學(xué)。

4. 糖基化
糖基化是由糖基轉(zhuǎn)移酶催化將蛋白質(zhì)附加上糖鏈，并與蛋白質(zhì)上的氨基酸殘基共價結(jié)合形成糖苷鍵的過程，主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體。大多數(shù)糖基化存在于細胞表面和分泌蛋白上，具有復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)，而存在于細胞核和細胞質(zhì)中的糖基化類型具有簡單的結(jié)構(gòu)并且高度動態(tài)。糖基化促進了生物體蛋白質(zhì)組在基因組編碼之外的擴展，廣泛參與了細胞黏附、識別、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等重要過程，影響蛋白質(zhì)的分泌、運輸和穩(wěn)態(tài)調(diào)控。糖基化有三種常見糖型：(1) N-糖基化，發(fā)生在肽鏈的天冬酰胺殘基上；(2) O-糖基化，發(fā)生在肽鏈的絲氨酸/蘇氨酸上；(3) C-糖基化，發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，在蛋白質(zhì)折疊、分選和分泌中起重要作用。糖基化對于調(diào)節(jié)細胞過程至關(guān)重要，包括蛋白質(zhì)折疊、降解、分泌、分子運輸和清除、細胞粘附、細胞間相互作用、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、受體激活和內(nèi)吞作用。

研究蛋白質(zhì)糖基化的方法包括糖基因芯片；使用放射化學(xué)、色譜法、分光光度法和生物正交化學(xué)報告儀檢測糖基轉(zhuǎn)移酶和糖苷酶活性；通過凝集素結(jié)合測定、高效液相色譜法、質(zhì)譜法進行聚糖分析和糖肽富集。

5. 甲基化
甲基化通常發(fā)生在細胞核和核蛋白，賴氨酸和精氨酸是甲基化中的兩個主要靶基殘基。賴氨酸側(cè)鏈上ϵ-氨基上有三個氫可以被甲基替換，因此賴氨酸甲基化具有三種不同的甲基化形式，包括單甲基化 (Kme1)，雙甲基化 (Kme2) 和三甲基化 (Kme3)，與異染色質(zhì)形成，X染色體失活和轉(zhuǎn)錄沉默或激活有關(guān)。精氨酸只有兩個氨基基因可以被甲基修飾，因此精氨酸甲基化具有單甲基精氨酸 (MMA)、不對稱二甲基精氨酸 (ADMA) 和對稱二甲基精氨酸 (SDMA) 三種類型。甲基化最重要的生物學(xué)作用之一是組蛋白修飾，作為經(jīng)典的表觀遺傳修飾，核小體中組蛋白的甲基化是染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因轉(zhuǎn)錄活性的重要調(diào)節(jié)劑。

蛋白質(zhì)甲基化可以通過修飾的組蛋白抗體、染色質(zhì)免疫沉淀 (ChIP)、質(zhì)譜圖譜、生物芯片、同位素PCR以及識別甲基化底物的新蛋白質(zhì)組學(xué)等策略進行研究。

6. 乙�；�
乙�；�是乙�；�供體以酶或非酶方式共價結(jié)合蛋白質(zhì)N末端和賴氨酸側(cè)鏈的過程，通過賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶 (KAT) 催化。KAT使用乙酰輔酶A作為輔助因子，將乙�；�添加到賴氨酸側(cè)鏈的ε-氨基基團中，而脫乙酰酶（HDAC）去除賴氨酸側(cè)鏈上的乙�；�。乙�；�有三種形式：Nα-乙酰化、Nε-乙�；�和O-乙酰化。Nα-乙�；�是一種不可逆的修飾，其他兩種類型的乙酰化是可逆的。Nε-乙�；�的過程是動態(tài)的和可逆的，是蛋白質(zhì)構(gòu)象和活性變化的調(diào)節(jié)開關(guān)。乙�；�在染色質(zhì)穩(wěn)定性、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、細胞周期控制、細胞代謝、核轉(zhuǎn)運和肌動蛋白成核等生物過程中起著至關(guān)重要的作用。

乙酰賴氨酸的研究方法有乙�；瘷z測試劑盒檢測、放射性試劑標記法、Edman測序法、基于質(zhì)譜的方法以及特定乙酰賴氨酸抗體的免疫熒光分析。

7. 乳酸化
2019年趙英明教授團隊的研究表明，代謝過程中積累的乳酸可以作為前體物質(zhì)導(dǎo)致組蛋白賴氨酸發(fā)生乳酸化修飾，進而調(diào)控基因的表達。乳酸化是指在細胞代謝過程中，乳酸的積累修飾組蛋白上的賴氨酸殘基。乳酸化修飾是乳酸發(fā)揮功能的重要方式，參與表觀遺傳調(diào)節(jié)、內(nèi)在炎癥調(diào)節(jié)、免疫逃逸、腫瘤細胞運動和遷移、血管生成、放射抗性或化學(xué)抗性、酸性或缺氧腫瘤微環(huán)境以及細胞外基質(zhì)重塑。

常用于檢測乳酸化的手段有HPLC-MS/MS液質(zhì)聯(lián)用、Anti-Kla免疫印跡。