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 mitmekesisus looduses 
vasakul|pisi|312x312px|Näide evolutsioonis hästi säilinud signaalirajast, milles leidub rohkesti valgu translatsioonijärgset modifikatsiooni – Sonic Hedgehog ehk Shh rada, mis on üks Hedgehogi signaaliradadest. Raja erinevate komponentidega teostatakse osalist proteolüüsi, palmitoüülimist, kolesterooliga ühendamist, fosforüülimist ja ubikvitinüülimist. Pildil on kajastatud ainult Shh molekulile kolesterooli lisamine enne sekreteerimist
TJM komplekt eri organismides on erinev, mis on tingitud erinevustest TJM lisavate ja eemaldavate ensüümide komplektide tasemel (vt jaotist „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 jaotises „TJM ja patoloogilised seisundid“.

 TJM liigid 
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).

 Olulisimad TJM 
Allpool tabelis on toodud näited olulisimate TJM kohta (nimekiri pole lõplik):
TJM nimetusLisatav rühmRühma omadused (suhteline suurus, laeng pH 7,5 juures jms)Mis funktsionaalrühmale lisatakse?Lisamist katalüüsiv ensüümide rühmTJM lisamiseks vajalik abimolekulTJM toime biokeemiline mehhanismEemaldamist katalüüsiv ensüümide rühmAmideerimineAmiin, 

–NH2Väike (kuna rühm tekib C-terminaalse Gly lagundamisel, siis valgu molekulmassi muutus on negatiivne), laenguta, hüdrofiilneKarboksüülrühmPeptidüülglütsiini α-hüdroksüüliv monooksügenaasAskorbaatLaengu eemaldamine füsioloogilise pH juures laetud karboksüülrühmaltEi ole teadaAtsetüülimine ehk atsetüleerimineAtsetüül,

CH3C(=O)–Väike (43 Da), laenguta, üsna hüdrofiilneAminorühm, hüdroksüülrühm, tioolrühmAtsetülaasidAtsetüülkoensüüm ALaengu eemaldamine füsioloogilise pH juures laetud aminorühmalt, hüdroksüülrühma või tioolrühma muutus vesiniksideme doonorluse aspektisDeatsetülaasidFosforüülimine ehk fosforüülimineFosforüül,

–PO32-Väike (78 Da), negatiivselt laetudHüdroksüül, erandina aromaatne amiin ja karboksüülrühmValkude kinaasid ehk proteiinkinaasidAdenosiin-5’-trifosfaat (ATP)Negatiivse laengu lisamine, muutus vesiniksideme doonorluse aspektisFosfataasid Glükosüülimine ehk glükosüleerimineSuhkrujääkidest koosnev ahel (glükaan)Suur (2,5 kDa ja rohkem), laenguta, hüdrofiilneAmiidrühma lämmastik või hüdroksüülrühm, erandina karboksüülrühmGlükosüültransferaasid**Uratsiil-difosfaatglükoos (UDP-glükoos)Molekuli suuruse ja molekuliga vastastikmõjusid loovate partnerite valimi muutmineGlükosidaasid Hüdroksüülimine Hüdroksüül, 

–OHVäike (17 Da), laenguta, hüdrofiilneC-H side2-oksoglutaraat-sõltuvad dioksügenaasid2-oksoglutaraatMolekuli eelistatud sekundaarse struktuuri muutusDehüdroksülaasid MetüülimineMetüül,

CH3–Väike (15 Da), laenguta, mittepolaarneAminorühmMetülaasidS-adenosüülmetioniin (SAM)Muutus vesiniksideme doonorluse aspektisDemetülaasidMüristoüülimine ehk müristoüleerimine*Müristoüül,

C13H27C(=O)–Keskmine (211 Da), laenguta, hüdrofoobneAminorühmN-müristoüültransferaasMüristoüülkoensüüm AMolekuli muutmine hüdrofoobsemaksDeatsetülaasidPrenüülimine*Isopreeni ühikutest koosnev ahel (farnesüül või geranüülgeranüül)Keskmine (221 või 275 Da), laenguta, hüdrofoobneTioolrühmFarnesüültransferaas või geranüülgeranüül-transferaasidFarnesüül- või geranüülgeranüül-pürofosfaatMolekuli muutmine hüdrofoobsemaksEi ole teadaSulfaatimineSulfonaat, 

–SO3-Väike (80 Da), negatiivselt laetudHüdroksüülSulfotransferaasid3'-fosfoadenosiin-5'-fosfosulfaatNegatiivse laengu lisamine, muutus vesiniksideme doonorluse aspektisEi ole teadaUbikvitinüülimine Ubikvitiin (valk)Suur (8,5 kDa), polaarneAminorühmUbikvitiini ligaas**Ubikvitiin, ATPMolekuli suunamine lagundamisseDeubikvitinaasid
 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.
pisi|290x290px|Molekulisisese (vasakul) või molekulidevahelise (paremal) disulfiidsideme pöörduv tekkereaktsioon. Reduction = redutseerimine, oxidation = oksüdeerimine

 Muud modifikatsioonid 
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.
vasakul|pisi|189x189px|Levotüroksiini ehk L-türoksiini molekuli ruumiline kuju. Süsinikuaatomid on näidatud mustaga, vesinikud valgega, hapnikud punasega, lämmastik sinisega ja joodid lillaga
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).
pisi|373x373px|Levinud TJM lisamise mehhanismid – ülevalt alla: metüülimine, atsetüülimine, fosforüülimine. Vasakul on näidatud reaktsiooni lähteained ja paremal saadused

 Erinevate TJM hinnanguline osakaal 
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).

 TJM ja patoloogilised seisundid 
vasakul|pisi|380x380px|Arginiini metüülimise mehhanism. Rooma numbritega on tähistatud ensüümiperekonna valkude arginiini metüültransferaasid kuuluvate ensüümide alatüübid
pisi|Arginiini tsitrulliinimisel kulgev reaktsioon
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 uurimine 
vasakul|pisi|172x172px|Müristoüülhappe struktuur. Mustaga on näidatud süsinikuaatomid, valgega vesinikud, punasega hapnikud. Pikk alküülahel annab märku molekuli hüdrofoobsusest
pisi|311x311px|Vase katalüüsitud click-reaktsiooni skeem – R tähistab sisuliselt ükskõik milliseid asendajaid. Click-reaktsiooni eeliseks on selle selektiivsus – ka reaktsiooni teostamisel keerulises bioloogilises proovis tekib minimaalselt kõrvalsaadusi. Kui üheks lähteaineks on muundatud rasvhappega modifitseeritud valk, siis teiseks lähteaineks võib olla näiteks magnetosake või biotiini derivaat, mille abiga saab valku seejärel proovist eraldada.
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.

 Viited 

Kategooria:Valkude biosüntees