עיבוד חלבונים לאחר התרגום

עיבוד חלבונים לאחר התרגום (בלועזית: Post-translational modifications, ובראשי תיבות: PTM) הם עיבודים כימיים שונים של חומצות האמינו בחלבון המבוצעים לאחר שלב התרגום. חלבונים מסונתזים באמצעות ריבוזומים המתרגמים mRNA לשרשאות פפטידים, היכולות לעבור עיבודים שונים. ישנם סוגי עיבודים רבים, כמו ביקוע החלבון והוספת מולקולות שונות באמצעות קשרים קוולנטיים, אשר חלקם הפיכים. העיבודים יכולים להשפיע על התכונות הפיזיקליות והכימיות של החלבון, כמו המבנה המרחבי, המטען ומידת ההידרופוביות של החלבון. העיבוד יכול להתרחש בכל שלב של חיי החלבון, ויכול להפעיל או לדכא את פעילות החלבון. כתוצאה מעיבודים אלו, מגוון החלבונים הפעילים מתרחב בצורה משמעותית. עיבודים אלו מהווים מרכיבים חשובים במעבר אותות בתא ובתהליכי בקרה שונים. במצבים רבים מעורבים עיבודים לאחר התרגום במחלות. כלל היצורים החיים מבטאים חלבונים המורכבים מחומצות אמינו, לפי הקידוד של מולקולות mRNA הנוצרות בתהליך השעתוק מתוך ה-DNA בגנום. ההערכה היא כי באדם קיימים 20,000–25,000 גנים המקודדים ל-100,000 מולקולות mRNA שונות, שמהן נוצרים כ-1,000,000 חלבונים שונים. כלומר, גן אחד יכול לקודד למספר חלבונים שונים זה מזה. המגוון הזה נוצר באמצעות מנגנונים שונים בשלבי השעתוק השונים הכוללים שחבור חליפי, שינוי באתר תחילת או סוף השעתוק ועריכת RNA. עיבוד חלבונים לאחר התרגום הוא שם כולל לתהליכי עיבוד שונים אותם יכול החלבון לעבור בכל שלב. עיבודים הנעשים מייד לאחר התרגום יכולים לסייע לקיפול החלבון, ליציבותו, או לכוונו למיקום תוך-תאי אחר. עיבודים הנעשים בשלבים מאוחרים יותר יכולים להשפיע על פעילות החלבון. העיבודים נערכים בשיירים הצדדיים של חומצות אמינו מסוימות או בקשרים פפטידיים מסוימים, ולרוב מתווכים על ידי אנזימים. ההערכה היא ש-5% מהפרוטאום הם אנזימים המעורבים בכ-700 סוגי העיבודים השונים. אנזימים אלו כוללים קינאזות, פוספוטאזות, טרנספראזות וליגאזות אשר מוסיפים או מסירים קבוצות פונקציונליות, חלבונים, ליפידים או סוכרים, ופרוטאזות המבקעים פפטידים בכדי להסיר מקטעים מהחלבון. לעיתים קרובות החלבונים עוברים יותר מסוג עיבוד אחד, בתהליך הדרגתי של התבגרות. לחלבונים רבים ישנה יכולת עיבוד עצמי. עיבודים יכולים להיערך על גבי הקבוצה הצדדית של חומצת האמינו, בקצה הקרבוקסילי או בקצה האמיני של החלבון. בצורה זו ניתן לגוון את תכונותיהן של 20 חומצות האמינו, באמצעות שינוי הקבוצות הקיימות או הוספה של קבוצות חדשות, כגון זרחן. זרחון הוא מנגנון נפוץ המשמש לבקרת הפעילות של אנזימים, והוא העיבוד הנפוץ ביותר. לחלבונים איקריוטים ופרוקריוטים רבים נוספת קבוצת פחמימה בתהליך הנקרא גליקוזילציה, שיכול לקדם את תהליך קיפול החלבונים, לתרום ליציבות החלבון, ובנוסף, לשמש למטרות בקרה. חיבור של מולקולות ליפידים, בתהליך שמכונה ליפידציה, מתבצע לרוב בחלבונים שמחוברים לקרום התא. עיבודים שונים הם הפיכים. לדוגמה, ניתן לזרחֵן חומצות אמינו מסוימות בשייר הצדדי של חלבון באמצעות קינאז, דבר המשפיע על פעילות החלבון. פוספוטאז יכול להסיר את קבוצת הזרחן ובכך להחזיר את פעילות החלבון למצב ההתחלתי. סוג אחר, בלתי הפיך, של עיבוד חלבונים לאחר תרגום הוא ביקוע של קשרים פפטידיים, כמו ביקוע פרקורסור ליצירת החלבון הבוגר, או הסרה של המתיונין הראשון. גם יצירת קשרים דיסולפידיים בין שיירי ציסטאין הוא עיבוד חלבון לאחר התרגום. לדוגמה, ההורמון אינסולין מבוקע פעמיים לאחר יצירת קשרים דיסולפידיים, וחלק מרצף חומצות האמינו מוסר ממרכז השרשרת ונוצר חלבון המכיל שני פפטידים המחוברים באמצעות הקשרים הדיסולפידיים. סוגים נוספים של עיבודים לאחר התרגום הם תוצאה של עקת חמצון (Oxidative stress). קרבונילציה היא דוגמה לעיבוד המוביל את החלבון לפירוק וליצירת אגרגטים. עיבודים מסוימים של חומצות אמינו מהווים סמן ביולוגי לעקת חמצון. אתרים שעוברים עיבודים לאחר התרגום לעיתים קרובות, הם אלה שמכילים קבוצה פונקציונלית שיכולה לשמש כנוקלאופיל: קבוצות הידרוקסיל של סרין, תריאונין ותירוזין; קבוצות אמין של ליזין, ארגינין, והיסטידין; אניון התיול של ציסטאין; קרבוקסילטים של אספרטט וגלוטמט; ושני הקצוות של שרשרת חומצות האמינו. בנוסף, אף על פי שהאמיד של אספרגין הוא נוקלאופיל חלש, הוא יכול לשמש כנקודת חיבור עבור גליקן. עיבודים נדירים יותר יכולים לקרות במתיונין שעבר חמצון ובקבוצת מתילן בשייר הצדדי. כל חומצה אמינית יכולה לעבור לפחות שלושה עיבודים שונים ועד לשיא של 15 עיבודים שליזין יכול לעבור. העיבוד הנפוץ ביותר הוא זרחון של סרין. ניתן לזהות עיבודים לאחר התרגום בשיטות ניסוייות שונות, הכוללות בין היתר ספקטרומטר מסה, תספיג חלבון, ותספיג מזרחי. מפאת חשיבותם, פגיעה בתהליכי העיבוד התקינים פוגעת בתפקוד התקין של התא, אך מהווה גם פוטנציאל טיפולי. שלושת סוגי העיבודים הראשונים הם הנפוצים ביותר, המהווים יותר מ-90% מהעיבודים הידועים. ערך מורחב – זרחון זרחון חלבון התגלה לראשונה על ידי פאובוס לוין בשנת 1906, ולאחר כ-20 שנה יוג'ין קנדי זיהה את האנזימים המבצעים את העיבוד. זרחון הוא עיבוד הפיך, המתרחש על בעיקר על סרין, תריאונין, תירוזין והיסטידין, אך גם פרולין, ארגינין אספרטט וציסטאין יכולים להזדרחן. זהו העיבוד הנחקר ביותר, ונמצא שהוא מעורב בתהליכים תאיים רבים הכוללים את מחזור התא, גדילה, אפופטוזיס ומעבר אותות. פגיעה במסלולי הזרחון מעורבת במחלות שונות, כגון סרטן, אלצהיימר, פרקינסון ומחלות לב. ערך מורחב – אצטילציה אצטילציה התגלתה לראשונה בשנת 1964 על ידי ו"ג אלפריי. אצטילציה מבוצעת על ידי אנזימי HAT‏ (histone acetyl transferase), ודה-אצטילציה על ידי אנזימי HDAC‏ (histone deacetylas). העברה של קבוצת אצטיל לחנקן מתרחשת באמצעות מנגנונים שונים, חלקם הפיכים וחלקם אינם הפיכים. אצטילציה של הקצה האמיני דורשת ביקוע בלתי הפיך של המתיונין הראשון והחלפתו בקבוצת אצטיל. תהליך זה קורה בכ-80%–90% מהחלבונים האנושיים, וחשיבותו אינה ברורה. אצטילציה של ליזין בקצה האמיני של היסטונים היא שיטה נפוצה לבקר שעתוק של גנים. אצטילציה זו היא הפיכה. אצטילציה מתרחשת בעיקר על ליזין, אך מתרחשת גם על אלנין, ארגינין, אספרטט, ציסטאין, כליצין, גלוטמאט, מתיונין, פרולין, סרין, תריאונין וואלין. פגיעה במסלולי האצטילציה מעורבת במחלות שונות, ובהן סרטן, הזדקנות, מחלות חיסוניות, מחלות קרדיווסקולריות ומחלות נוירולוגיות. אוביקוויטינציה התגלתה לראשונה בשנת 1975 על ידי גדעון גולדשטיין. עיבוד זה הוא בלתי הפיך, ויכול להתרחש על כל חומצות האמינו. אוביקוויטין הוא פוליפפטיד במשקל 8 kDa ומכיל 76 חומצות אמינו. לאחר תיוג חלבון באוביקוויטין, יכול להיווצר פולימר של אוביקוויטין שיוכר על ידי הפרוטאוזום 26S, שיפרק את החלבון למרכיביו. פגיעה במסלולי האוביקוויטינציה מעורבת במחלות שונות ובהן סרטן, מחלות מטבוליות, דלקות, סוכרת מסוג 2, ומחלות נוירודגנרטיביות. ערך מורחב – גליקוזילציה לגליקוזילציה השפעה רבה על קיפול החלבון, מבנהו, תפוצתו, יציבותו ופעילותו. בתהליך זה סוגי סוכרים שונים (החל מחד-סוכרים פשוטים ועד פוליסכרידים גדולים) מקושרים לחלבון. פחמימות שנקשרות לאספרגין, סרין ותריאונין אופייניות לקרום התא ולחלבונים שמופרשים החוצה מהתא. גליקוזילציה מתרחשת לרוב על סרין, תריאונין, אספרגין, טריפטופן וגליצין, אך יכולה להתרחש גם על אלנין, ארגינין, איזולאוצין, ליזין, ולין, גלוטמט, פרולין, תירוזין, ציסטאין וגליצין. פגיעה במסלולי הגליקוזילציה מעורבת במחלות שונות ובהן סרטן, שחמת כבד, סוכרת, HIV, אלצהיימר וטרשת עורקים. ערך מורחב – מתילציה המחקר על מתילציה החל בשנת 1939. העברה של קבוצת מתיל באמצעות מתילטרנספרז לחנקן או חמצן בשיירי הצד של חומצות האמינו מעלה את רמת ההידרופוביות של החלבון, ובכך יכולה להפוך חלבון בעל מטען שלילי לנייטרלי כאשר הוא מוסף לחלבונים קרבוקסיליים. מתילציה של ליזין בקצה האמיני של היסטונים היא שיטה נפוצה לבקר שעתוק של גנים. בתאים איקריוטים, ליזין וארגינין הן חומצות האמינו הממותלות לרוב. בנוסף, אלנין, אספרגין, ציסטאין, גליצין, גלוטמט, גליקוגן, היסטידין, מתיונין, לאוצין, פנילאלנין ופרולין מסוגלות לעבור מתילציה. פגיעה במסלולי מתילציה מעורבת במספר מחלות ובהן סרטן, פיגור שכלי (תסמונת אנגלמן), סוכרת וליפופוסינוזיס. ליפידציה היא שיטה לכוון חלבונים לממברנות של אברונים (רשתית תוך-פלזמית, מיטוכונדריה, גולג'י), לבועיות ולקרום התא. באמצעות ארבעה עיבודים שונים החלבונים רוכשים תכונות ייחודיות, וארבעתם מעלים את רמת ההידרופוביות של החלבון ולכן את האפיניות שלו לממברנות. בתנאים פיזיולוגיים הקשרים בין פפטידים הם יציבים, ולכן התא נדרש למנגנון בכדי לבקע אותם. פרוטאזות הם משפחה של אנזימים שיכולים לבקע קשרי פפטידים. הם חיוניים ליצירת נוגדנים, לאפופטוזיס, ולמעבר אותות. באדם ישנם מעל 11,000 פרוטאזות המתמחים בסוגי סובסטראט שונים, ונבדלים זה מזה במנגנון הביקוע, במיקום התוך-תאי ובמשך הפעילות. פרוטואוליזה יכולה להוביל לדגרדציה סופית של החלבון אם הקיפול היה שגוי, או שנותרה תת-יחידה מיותמת ובכך לשמור על ההומואוסטזיס התאי. פרוטאזות משמשות כמתג תאי, אשר בתהליך בלתי הפיך ומבוקר היטב מבצעים ביקוע של אנזימים בכדי ליצור צורה בוגרת ופעילה של החלבון. נכון לשנת 2018, ידועים 1,950 עיבודים לאחר תרגום ב-749 חלבונים, מ-24 סוגי עיבודים שונים המעורבים ב-275 מחלות שונות באדם. עיבודים לאחר תרגום מעורבים בסוגי סרטן שונים, סוכרת ומחלות נוירודגנרטיביות. לדוגמה, אוביקוויטינציה של החלבון MTSS1 (חלבון מדכא גידולים) המתווכת על ידי אוביקוויטין ליגאז חיונית לתהליך בקרת גדילת התא ולהתפשטות שלו בסרטן השד ובסרטן הערמונית. קוד היסטונים בקרת גנים Shahin Ramazi, Javad Zahiri, "Post-translational modifications in proteins: resources, tools and prediction methods", Database Volume 2021, 2021, baab012, doi:https://doi.org/10.1093/database/baab012 מדיה וקבצים בנושא עיבוד חלבונים לאחר התרגום בוויקישיתוף רשימת העיבודים האפשריים, באתר UniProt מאגר מידע של עיבודים מאגר מידע של עיבודים הקשורים למחלות V.N. Uversky, "Posttranslational Modification", Stanley Maloy & Kelly Hughes (editors), Brenner's Encyclopedia of Genetics (Second Edition), Academic Press, 2013, Pages 425-430,ISBN 9780080961569,doi:https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.01203-1 Overview of Post-Translational Modifications (PTMs) https://www.uniprot.org/docs/ptmlist.txt Shahin Ramazi, Javad Zahiri, "Post-translational modifications in proteins: resources, tools and prediction methods", Database Volume 2021, 2021, baab012, doi:https://doi.org/10.1093/database/baab012 כיצד ליתיום מטפל בהפרעה דו-קוטבית?, באתר מכון דוידסון Levene, P. and Alsberg, C. (1906) The cleavage products of vitellin. J. Biol. Chem., 2, 127–133. Pawson, T. and Scott, J.D. (2005) Protein phosphorylation in signaling–50 years and counting. Trends Biochem. Sci., 30, 286–290. Allfrey, V.G., Faulkner, R. and Mirsky, A. (1964) Acetylation and methylation of histones and their possible role in the regulation of RNA synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 51, 786. Goldstein, G., Scheid, M., Hammerling, U. et al. (1975) Isolation of a polypeptide that has lymphocyte-differentiating properties and is probably represented universally in living cells. Proc. Natl. Acad. Sci., 72, 11–15. PTMD 1.0 - PTMs that associate with diseases, ptmd.biocuckoo.org Haodong Xu, Yongbo Wang, Shaofeng Lin, Wankun Deng, Di Peng, Qinghua Cui, Yu Xue, "PTMD: A Database of Human Disease-associated Post-translational Modifications", Genomics, Proteomics & Bioinformatics Volume 16, Issue 4, 2018, Pages 244-251, ISSN 1672-0229, doi:https://doi.org/10.1016/j.gpb.2018.06.004, PMID 30244175.