Translatsioonijärgne modifikatsioon

Valgu translatsioonijärgne modifikatsioon (TJM, sageli kasutatakse ingliskeelse analoogia põhjal ka mõistet posttranslatoorne modifikatsioon ehk PTM) on muudatus valmissünteesitud valgu struktuuris, mis mõjutab valgu keemilist koostist ja võimet osaleda bioloogilistes signaaliradades. TJM lisatakse enamasti valgu reaktsioonivõimelisematele funktsionaalrühmadele: N-terminaali, C-terminaali või aminohappejääkide nukleofiilsetele külgrühmadele (hüdroksüül-, tiool-, amino- või karboksüülrühmad). TJM lisavad proteoomile keerukusastmeid, sest modifitseeritud ja modifitseerimata valk käituvad erinevalt. TJM komplekt eri organismides on erinev, mis on tingitud erinevustest TJM lisavate ja eemaldavate ensüümide komplektide tasemel (vt alapealkiri „Olulisimad TJM“). Näiteks on histidiini fosforüülimine väga levinud prokarüootides, kuid eukarüootides moodustab His kõigest 6% fosforüülitavatest aminohapetest. Samas puudub bakterites valkude müristoüülimist katalüüsiv ensüüm. Lisaks on kirjeldatud suuri erinevusi valkude glükosüülimisel putukates ja imetajates, mis tingib teatud raskusi mõningate rekombinantsete valkude tootmisel putukarakkudes. Suur osa edasisest artiklist keskendub TJM tutvustamisele imetajate ja konkreetsemalt inimese kontekstis. Eukarüootides kannab erinevaid TJM väga suur osa proteoomist ning TJM on olulised ka sekreteeritavate valkude puhul (näiteks peetakse kõige ulatuslikumalt glükosüülitud valguks inimese koorioni gonadotropiini). TJM „mustrite“ muutus rakus võib kaasneda loomulike protsessidega (nt embrüonaalne areng, vananemine, rasedus), aga ka haigustega. Viimaseid vaadeldakse põhjalikumalt alapealkirjas „TJM ja patoloogilised seisundid“. Enamik TJM on pöörduvad ehk TJM kaudu on võimalik ajutiselt moduleerida modifitseeritava valgu aktiivsust, ilma et valku peaks lagundama või juurde sünteesima. TJM lisamist ja eemaldamist katalüüsivad elusrakkudes spetsiaalsed ensüümid. TJM teostamiseks vajavad ensüümid sageli abimolekule (nt ATP proteiinkinaaside puhul või SAM metüültransferaaside puhul), mille küljest pärineb lisatav fragment. Rakuorganellide lõikes teostatakse suur osa TJM lisamisest endoplasmaatilises retiikulumis kohe pärast valkude voltumist (nt glükosüülimine), aga ka Golgi kompleksis (nt ubikvitinüülimine), tsütoplasmas (nt fosforüülimine) ja rakutuumas (nt metüülimine). Allpool tabelis on toodud näited olulisimate TJM kohta (nimekiri pole lõplik): Märkused: * Müristoüülimist ja prenüülimist vaadeldakse tegelikult lipideerimise ühe liigina. ** TJM lisamisreaktsioon on tegelikult mitmeetapiline ja selles osaleb ka teisi ensüüme. Tabelis toodud modifikatsioone võib põhimõtteliselt esineda ka valkudest erinevate molekulide puhul, kuid siis ei ole korrektne kasutada sõna „translatsioonijärgne“. Näiteks on tuntud DNA metüülimine või fosfatidüülinositooli fosforüülimine, mis kulgevad valkude modifikatsioonidega suhteliselt sarnaste mehhanismide alusel. Valkude normaalse töö tagamiseks on äärmiselt olulised veel mõned struktuursed modifikatsioonid, mida mõnikord käsitletakse kui TJM, kuid mitte alati: Disulfiidsidemete ehk -sildade moodustumine tioolrühmadest valgumolekuli-siseselt või eri valgumolekulide vahel. Enamiku valkude puhul teostatakse endoplasmaatilises retiikulumis valkude voltumise käigus/järel, kus disulfiidsildade moodustumist vahendavad mitmed bioloogiliste redoksreaktsioonidega seotud ensüümid. Tsütoplasma ei ole üldjuhul soodne koht disulfiidsidemete tekkeks, sest selle reaktsiooni käigus toimub tioolrühmade oksüdeerumine – tsütoplasmas hoitakse aga vaikimisi pigem redutseerivat keskkonda. Samas võib raku redoks-staatuse muutumisel (nt oksüdatiivse stressi korral) disulfiidsildade teke siiski toimuda ka tsütoplasmas. Valgumolekuli osaline proteolüüs, mida teostavad enamasti endoplasmaatilises retiikulimis ja Golgi kompleksis olevad proteaasid ja mis on eriti oluline sekreteeritavate molekulide puhul. Erinevalt paljudest teistest TJM liikidest ei ole see reaktsioon pöörduv. Biokeemiliselt pakub huvi on ka valgu jodeerimine, mis on üsna unikaalne kilpnäärme hormooni türoglobuliini jaoks. Türoglobuliin sisaldab rohkesti tsüsteiinijääke ja türosiinijääke, millest jodeeritakse just viimaseid. Jodeerimiseks on oluline ensüüm türoperoksidaas, mis kasutab ära teiste ensüümide toodetud vesinikperoksiidi ja tekitab selle abiga reaktiivse joodi. Joodi kovalentse liitumise järel türoglobuliinile (tõenäoliselt kulgeb elektrofiilse asendusena aromaatses tuumas) „lõigatakse“ valgu küljest ära lühikesed jodeeritud Tyr sisaldavad fragmendid, millest seejärel moodustuvad hormoonid L-türoksiin (T4) ja L-trijodotüroniin (T3). Olenevalt sellest, kas lähtuda seni teadaolevatest eksperimentaalandmetest või valkude järjestuste põhjal prognoositud modifikatsioonidest, moodustavad TJM esikolmiku varieeruvas järjekorras fosforüülimine, atsetüülimine ja N-sidestatud glükosüülimine (ehk amiidrühma lämmastiku glükosüülimine). Teaduskirjanduse analüüsi põhjal on teatatud, et enim uuritud TJM on eespool mainitud kolmiku kõrval veel ubikvitinüülimine, metüülimine, SUMOüülimine (ubikvitiiniga struktuurselt sarnase valgu lisamine) ja lipideerimine (konkreetsemalt palmitoüülimine ja müristoüülimine). Valkude anomaalne TJM tekib enamasti seoses TJM lisavate või eemaldavate ensüümide anomaalselt suure või väikese aktiivsusega. Hetkeseisuga on teaduskirjanduses hästi dokumenteeritud seosed järgnevate patoloogiate ja TJM vahel (mitmeid nendest näidetest on käsitletud ka proteoomiteemalises Vikipeedia artiklis): kasvufaktorite aktiveeritavate türosiinkinaaside ning rakutsükli regulatsiooniga seotud seriin/treoniin-kinaaside anomaalselt kõrge tase vähkkasvajates; epigeneetiliste modifikatsioonidega seotud ensüümide, eriti valkude arginiini metüültransferaaside ja histoonide deatsetülaaside anomaalselt kõrge tase vähkkasvajates; valgu tau ülefosforüülitus Alzheimeri tõvega patsientide ajus; amüloidi eelvalgu APP anomaalsel proteolüüsil tekkinud amüloid β agregaatide teke Alzheimeri tõvega patsientide ajus; valkude tsitrulliinimise (arginiinijääkide üleviimine tsitrulliinijääkideks, mida katalüüsivad peptidüülarginiini deiminaasid) anomaalselt kõrge tase reumatoidses artriidis; valkude demüristoüülimise (ehk müristoüüli eemaldamise) ja teiste TJM mustri muutuste käivitamine patogeenide (sh bakterite ja viiruste) poolt, võimaldamaks pääseda immuunsüsteemi (kiirest) vastusest; südame-veresoonkonna haiguste seos endoplasmaatilise retiikulumi ja terve raku oksüdatiivse stressiga, mis nihutab valkudes redoks-aktiivsete tioolrühmadega toimuvate reaktsioonide tasakaalu disulfiidsildade tekke suunas. TJM uurimiseks on proteoomikas (meetodid, mida kasutatakse proteoomi uurimiseks) kujundatud erinevad võtted, mis võimaldavad suurendada uuritavas proovis modifitseeritud valkude osakaalu. Näiteks: fosforüülitud valke saab eraldada, kasutades nende seostumist TiO2 osakestele; glükosüülitud valke saab proovist eraldada või proovis tuvastada, kasutades selektiivseid antikehi (mis seostuvad just valgu glükosüülitud piirkonnaga); müristoüülitud valke saab eraldada, kasutades ära asjaolu, et müristoüüli hüdrofoobsuse tõttu püsivad need suurema tõenäosusega erinevate membraanide küljes; rakkudel saab lasta modifitseerida oma valke muundatud struktuuriga rasvhapetega, kuhu on sisse viidud click-reaktsiooni toetav funktsionaalrühm (asiid või alküün) – pärast rakkude kasvatamist selliste muundatud rasvhapete juuresolekul saab lipideeritud (nt palmitoüülitud, müristoüülitud) valke eraldada, kasutades click-reaktsiooni. TJM uuringute tulemuste süstematiseerimisele keskenduvad mitmeid spetsiifilised andmebaasid – seda lisaks proteoomi käsitletavatele üldistele andmebaasidele, mis esitavad infot muuhulgas ka vaadeldavate valkude TJM kohta. V.N.Uversky (2013). Posttranslational Modification. Reference Module in Life Sciences: Brenner's Encyclopedia of Genetics (Second Edition): Elsevier. Lk 425–430. Min Liu, Ying Su, Jingyu Peng, Alan Jian Zhu (2021). Protein modifications in Hedgehog signaling. BioEssays: Wiley.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Steve Dorus, Jeffrey R Anderson, Eric J Vallender, Sandra L Gilbert, Li Zhang, Leona G Chemnick, Oliver A Ryder, Weimin Li, Bruce T Lahn (2006). Sonic Hedgehog, a key development gene, experienced intensified molecular evolution in primates. Hum Mol Genet: Oxford Academic. Lk 2031–2037.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Jennifer Puttick, Edward N Baker, Louis T J Delbaere (2008). Histidine phosphorylation in biological systems. Biochim Biophys Acta: Elsevier. Lk 100–105.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) R J Duronio, E Jackson-Machelski, R O Heuckeroth, P O Olins, C S Devine, W Yonemoto, L W Slice, S S Taylor, J I Gordon (1990). Protein N-myristoylation in Escherichia coli: reconstitution of a eukaryotic protein modification in bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A. Lk 1506–1510.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Sebastian Maurer-Stroh, Frank Eisenhaber (2004). Myristoylation of viral and bacterial proteins. Trends in Microbiology: Elsevier. Lk 178–185. Xianzong Shi, Donald L. Jarvis (2007). Protein N-Glycosylation in the Baculovirus-Insect Cell System. Curr Drug Targets: Bentham Science. Lk 1116–1125. Dieter Palmberger, Iain B. H. Wilson, Imre Berger, Reingard Grabherr, Dubravko Rendic (2012). SweetBac: A New Approach for the Production of Mammalianised Glycoproteins in Insect Cells. PLoS One.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Navratan Bagwan, Henrik H. El Ali, Alicia Lundby (2021). Proteome-wide profiling and mapping of post translational modifications in human hearts. Scientific Reports: Nature.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Li Chen, Anna Kashina (2021). Post-translational Modifications of the Protein Termini. Frontiers in Cell and Developmental Biology: Frontiers. Boris Macek, Karl Forchhammer, Julie Hardouin, Eilika Weber-Ban, Christophe Grangeasse, Ivan Mijakovic (2019). Protein post-translational modifications in bacteria. Nature Reviews Microbiology: Nature. Lk 651–664.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Laurence A Cole (2012). HCG variants, the growth factors which drive human malignancies. Am J Cancer Res. Lk 22–35. Nature Reviews Molecular Cell Biology (26. august 2022). "Series: Post-translational modifications". Nature. Vaadatud 26.11.2022. Malgosia Wilk-Blaszczak. Cell Physiology. MAVS Open Press. Lk Chapter 5: Posttranslational Modifications of Proteins. Originaali arhiivikoopia seisuga 26. november 2022. Vaadatud 26. novembril 2022. Shijiao Huang, Yanzhuang Wang (2017). Golgi structure formation, function, and post-translational modifications in mammalian cells. F1000Res.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: koht sisaldab numbrit (link) Shahin Ramazi, Javad Zahiri (2021). Post-translational modifications in proteins: resources, tools and prediction methods. Database: Oxford Academic. Yuh-Shyong Yang, Chen-Chu Wang, Bo-Han Chen, You-Hua Hou, Kuo-Sheng Hung, Yi-Chih Mao (2015). Tyrosine Sulfation as a Protein Post-Translational Modification. Molecules: MDPI. Lk 2138–2164.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Joseph Bell, Betty A. Eipper, Richard E. Mains (2004). Amidation. Encyclopedia of Endocrine Diseases: Elsevier. Lk 188–191.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Giada Zurlo, Jianping Guo, Mamoru Takada, Wenyi Wei, Qing Zhang (2016). New Insights into Protein Hydroxylation and Its Important Role in Human Diseases. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Reviews on Cancer: Elsevier. Lk 208–220.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Suzan Wopereis, Dirk J Lefeber, Éva Morava, Ron A Wevers (2006). Mechanisms in Protein O-Glycan Biosynthesis and Clinical and Molecular Aspects of Protein O-Glycan Biosynthesis Defects: A Review. Clinical Chemistry: Oxford Academic. Lk 574–600.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Smita Mohanty, Bharat P Chaudhary, David Zoetewey (2020). Structural Insight into the Mechanism of N-Linked Glycosylation by Oligosaccharyltransferase. Biomolecules: MDPI.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Lisa D Moore, Thuc Le, Guoping Fan (2013). DNA Methylation and Its Basic Function. Neuropsychopharmacology: Nature. Lk 23–38.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Eamonn J. Dickson, Bertil Hille (2019). Understanding phosphoinositides: rare, dynamic, and essential membrane phospholipids. Biochemical Journal: Portland Press. Lk 1–23. Philip J. Robinson, Neil J. Bulleid (2020). Mechanisms of Disulfide Bond Formation in Nascent Polypeptides Entering the Secretory Pathway. Cells: MDPI. Carolyn S. Sevier, Chris A. Kaiser (2002). Formation and transfer of disulphide bonds in living cells. Nature Reviews Molecular Cell Biology: Nature. Lk 836–847. James C.A. Bardwell (2002). Disulfide Bond Formation, a Race between FAD and Oxygen. Developmental Cell: Elsevier. Lk 758–760. Tyler J. Bechtel, Eranthie Weerapana (2017). From structure to redox: the diverse functional roles of disulfides and implications in disease. Proteomics: Wiley. Claudia M. Cremers, Ursula Jakob (2013). Oxidant Sensing by Reversible Disulfide Bond Formation. J Biol Chem: American Society for Biochemistry and Molecular Biology. Lk 26489–26496. K Oda (1992). Calcium depletion blocks proteolytic cleavages of plasma protein precursors which occur at the Golgi and/or trans-Golgi network. Possible involvement of Ca(2+)-dependent Golgi endoproteases. J Biol Chem: American Society for Biochemistry and Molecular Biology. Lk 17465-17471. Arne Praznik, Tina Fink, Nik Franko, Jan Lonzarić, Mojca Benčina, Nina Jerala, Tjaša Plaper, Samo Roškar, Roman Jerala (2022). Regulation of protein secretion through chemical regulation of endoplasmic reticulum retention signal cleavage. Nature Communications: Nature.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Bernard Rousset, Corinne Dupuy, Françoise Miot, Jacques Dumont (2015). Chapter 2: Thyroid Hormone Synthesis And Secretion. Endotext: National Library of Medicine.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Bruno Di Jeso, Peter Arvan (2016). Thyroglobulin From Molecular and Cellular Biology to Clinical Endocrinology. Endocrine Reviews: Oxford Academic. Lk 2–36. George A. Khoury, Richard C. Baliban, Christodoulos A. Floudas (2011). Proteome-wide post-translational modification statistics: frequency analysis and curation of the swiss-prot database. Scientific Reports: Nature.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Radhamani Kannaiyan, Daruka Mahadevan (2018). A comprehensive review of protein kinase inhibitors for cancer therapy. Expert Rev Anticancer Ther: Taylor & Francis Online. Lk 1249–1270. Christopher Hillyar, Kathrine S Rallis, Jajini Varghese (2020). Advances in Epigenetic Cancer Therapeutics. Cureus.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Jian-Zhi Wang, Yi-Yuan Xia, Inge Grundke-Iqbal, Khalid Iqbal (2013). Abnormal hyperphosphorylation of tau: sites, regulation, and molecular mechanism of neurofibrillary degeneration. Journal of Alzheimer's Disease: IOS Press.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Eric Karran, Bart De Strooper (2022). The amyloid hypothesis in Alzheimer disease: new insights from new therapeutics. Nature Reviews Drug Discovery: Nature. Lk 306–318. Erika Darrah, Felipe Andrade (2018). Rheumatoid arthritis and citrullination. Curr Opin Rheumatol: Wolters Kluwer. Lk 72–78. Daniel Ikenna Udenwobele, Ruey-Chyi Su, Sara V Good, Terry Blake Ball, Shailly Varma Shrivastav, Anuraag Shrivastav (2017). Myristoylation: An Important Protein Modification in the Immune Response. Frontiers in Immunology: Frontiers.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Bin Wang, Tong Dai, Wenhuan Sun, Yujun Wei, Jiang Ren, Long Zhang, Mengdi Zhang, Fangfang Zhou (2021). Protein N-myristoylation: functions and mechanisms in control of innate immunity. Cellular & Molecular Immunology: Nature. Lk 878–888.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Ramesh Kumar, Divya Mehta, Nimisha Mishra, Debasis Nayak, Sujatha Sunil (2021). Role of Host-Mediated Post-Translational Modifications (PTMs) in RNA Virus Pathogenesis. IJMS: MDPI.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Jonathan P. Brennan, RobinWait, Shajna Begum, James R. Bell, Michael J. Dunn, Philip Eaton (2004). Detection and Mapping of Widespread Intermolecular Protein Disulfide Formation during Cardiac Oxidative Stress Using Proteomics with Diagonal Electrophoresis. JBC: Elsevier. Lk 41352-41360.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Bidur Bhandary, Anu Marahatta, Hyung-Ryong Kim, Han-Jung Chae (2013). An Involvement of Oxidative Stress in Endoplasmic Reticulum Stress and Its Associated Diseases. IJMS: MDPI.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) The Nobel Prize (5.10.2022). "The Nobel Prize in Chemistry 2022: Press Release". The Nobel Foundation. Vaadatud 27.11.2022. Tine E Thingholm, Martin R Larsen (2016). The Use of Titanium Dioxide for Selective Enrichment of Phosphorylated Peptides. Methods Mol Biol: Springer Link. Lk 135–146. Eric Sterner, Natalie Flanagan, Jeffrey C. Gildersleeve (2016). Perspectives on Anti-Glycan Antibodies Gleaned from Development of a Community Resource Database. ACS Chem Biol: ACS Publications. Lk 1773–1783.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) L A Cole (2010). Hyperglycosylated hCG, a review. Placenta: Elsevier. Lk 653–664. Hong Jiang, Xiaoyu Zhang, Xiao Chen, Pornpun Aramsangtienchai, Zhen Tong, Hening Lin (2018). Protein lipidation: Occurrence, mechanisms, biological functions, and enabling technologies. Chem Rev: ACS Publications. Lk 919–988.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) William P Heal, Megan H Wright, Emmanuelle Thinon, Edward W Tate (2011). Multifunctional protein labeling via enzymatic N-terminal tagging and elaboration by click chemistry. Nature Protocols: Nature. Lk 105–117.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Patrick C. Boyle, Simon Schwizer, Sarah R. Hind, Christine M. Kraus, Susana De la Torre Diaz, Bin He, Gregory B. Martin (2016). Detecting N-myristoylation and S-acylation of host and pathogen proteins in plants using click chemistry. Plant Methods: BMC.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) EBI-EMBL, PIR, SIB. "UniProt Homepage: Find your protein". The UniProt Consortium. Vaadatud 27.11.2022.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) KTH, UU, SciLifeLab, KI (31.05.2022). "The Human Protein Atlas: Homepage". Vaadatud 27.11.2022.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)