往期文章“带你走近“后基因组”时代的主角—蛋白质组学”、“带你了解关于蛋白质翻译后修饰的简单介绍”、“蛋白翻译后修饰研究会很难？Co-IP技术轻松解决”已经向大家简单介绍了一下蛋白质组学，以及常见蛋白质翻译后修饰（PTM）的种类：磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化及糖基化，大家感兴趣可以自行点进链接阅读。接下来，小医就介绍另外几种近年来新发现的新型酰化修饰。
乳酸化
乳酸（Lactate）是细胞糖酵解的主要代谢产物,在能量供给和信号转导方面发挥重要作用。乳酸在多种疾病的发生、发展中发挥重要作用,还通过抑制免疫细胞、营造免疫抑制性微环境等途径促进多类肿瘤的进展。2019年发现的蛋白质乳酸化修饰（Lactylation）是一种重要PTM方式，指的是将乳酸分子添加到蛋白质的特定氨基酸残基上，通常是赖氨酸残基，形成乳酸化修饰的蛋白质。这一生物化学过程涉及乳酸与蛋白质中氨基酸的酯化反应，从而改变蛋白质的性质和功能，其研究与代谢、细胞信号传导以及疾病的研究息息相关（图1）。
图1 乳酸参与细胞生理和病理过程的调节（Li et al., 2022）。
Lactylation是蛋白质酰化修饰的一种，其过程可分为酶促和非酶促依赖，其中，乳糖基辅酶A与酶促乳酸化密切相关，而乳酰谷胱甘肽（LGSH）参与非酶促乳酰化。研究还发现，酶促依赖的乳酸化修饰受组蛋白乙酰基转移酶家族成员p300/环磷酸腺苷反应元件结合蛋白（CBP）动态调控。不同研究组对不同物种中组蛋白乳酸化位点进行了鉴定，发现主要修饰位点为组蛋白H2A、H2B、H3和H4的赖氨酸。已明确乳酸化修饰调节功能的位点包括H3K9、H3K18、H3K23、H3K56、H4K8、H4K12。
SUMO化
SUMO（Small ubiquitin-related modifier）修饰，是一种与泛素化修饰相似的PTM方式，分子量约为12KDa，但SUMO和泛素在序列和功能上有所不同，通过共价键与目标蛋白质上的特定赖氨酸残基相连，形成SUMO化修饰的蛋白质，不会导致蛋白质降解，更多的是影响蛋白质功能和位置，从而参与转录调控、细胞周期调控、免疫应答等多种生物学过程。SUMO化可以是可逆的，整个SUMO化过程包括成熟、激活、缀合和连结四个步骤，首先SUMO化由SUMO活化酶复合物E1以ATP依赖的方式形成硫酯键；接着具有活性的SUMO与SUMO结合酶E2结合，再次形成硫酯键；最后在连接酶E3的作用下，SUMO复合体与底物蛋白的赖氨酸残基结合，从而完成底物蛋白的SUMO化修饰（图2）。此外，底物蛋白也可以在连接酶E4的作用下被多个SUMO化修饰。
图2 SUMO化修饰通路图（Jeoung et al., 2022）。
脂质化
自19世纪70年代发现第一个蛋白质脂质化（Lipidation）以来，五十年的持续研究使人们对蛋白质脂质化有了更深入的了解，脂类分子与蛋白质通过共价键结合，从而改变蛋白质的结构与功能，引起所得蛋白质与各种膜结合，从而在膜上与参与信号转导途径的其他蛋白质相互作用，涉及疏水基团通过酯，硫酯，酰胺或硫醚键与蛋白质连接，参与多种细胞功能，包括细胞分裂、亚细胞组织、分泌和分化。
蛋白质脂质化是最常见的PTM之一，可以将多达七种不同类型的脂质附着在蛋白质上，包括脂肪酸（FA）、硫辛酸、类异戊二烯、甾醇、磷脂、糖基磷脂酰肌醇（GPI）等等。根据修饰蛋白质的位置，蛋白质脂质化可分为两类，第一类包括发生在细胞质或膜的细胞质侧的脂质修饰，如：棕榈酰化（1979年首次报道）、肉豆蔻酰化（1982年首次报道）和异戊二烯化（1978年首次在真菌中报道）；第二类由发生在分泌细胞器腔中的脂质修饰组成，如：GPI锚定和胆固醇化。由于篇幅有限，此处不再对各种脂质化进行展开介绍，感兴趣的同学可自行阅读“Protein lipidation in health and disease: molecular basis, physiological function and pathological implication”一文，文中详细介绍了各类脂质化的发展历程、检测方式、实际应用等（图3）。
图3 蛋白质脂质发现时间表（Yuan et al., 2024）。
硫酸化
硫酸化主要作用于蛋白质、糖蛋白和糖脂中的羟基基团，在激素调节、解毒、细胞信号传导和癌症转移中发挥重要作用。1954年，Bruno Bettelheim首次发现了硫酸化，常见于Tyr、Cys和Ser，通常发生在反式高尔基体中。之前，酪氨酸硫酸化（Ysulf，一种发生在酪氨酸残基上的PTM）一直被认为是细胞外蛋白和溶酶体蛋白的特征性修饰，对其研究也仅限于分泌蛋白和跨膜蛋白，对核蛋白上的酪氨酸硫酸化知之甚少。直至2023，华中科技大学发表了题为“Histone tyrosine sulfation by SULT1B1 regulates H4R3me2a and gene transcription”的研究论文，揭示了Ysulf可作为一种全新PTM，硫酸转移酶SULT1B1直接催化组蛋白H3Y99位点发生硫酸化修饰（H3Y99sulf），阐明了H3Y99sulf通过招募PRMT1并调控组蛋白H4R3me2a和基因转录的功能机制（图4）。
图4 H3Y99sulf的修饰和功能机制示意图（Yu et al., 2023）。
亚硝基化
在过去的几十年里，一氧化氮（NO）对许多人类疾病的影响越来越受到关注，1992年其被评为“年度分子”，它的发现导致Furchgott等人获得1998年诺贝尔奖。最初的NO研究集中在神经元、肌肉、内皮细胞和免疫细胞等特殊组织中的NO信号通路上，2005年，研究人员将方向瞄向了“非经典NO功能”，即S-亚硝基化（S-nitrosylation），这是一种半胱氨酸硫醇的NO依赖性共价修饰，S-亚硝基化被认为是一种与磷酸化相似的新型信号传导途径，亦是可调节的、可逆的，并且靶标和位点具有选择性（图5，图6）。
图5 四种不同类型的S-亚硝基化反应（Fernando et al, 2019）。
图6两种类型的转亚硝基化反应（Fernando et al, 2019）。
S-亚硝基化可以调节3000多种参与多种生物过程的蛋白质，包括蛋白质稳定性/周转、类固醇合成、转录调节、DNA损伤修复、细胞生长/分化、细胞凋亡和氧化还原调节。由于NOS的各种亚细胞位置，应激可以诱导参与不同信号级联反应的蛋白质的协同S-亚硝基化和转亚硝基化。失调的S-亚硝基化与不同疾病的发生和发展有关。在正常生理条件下，蛋白质的S-亚硝基化受到高度调节以维持氧化还原稳态。然而，当遇到极端恶劣的条件时，例如暴露于病原体、辐射和致癌物，这种调节可能会被中断，从而导致疾病的发生。
PTM检测方式
最后，讲了这么多的PTM机制，那我们应该如何对其检测与研究呢？别急，小医已经为大家准备了几种经典研究方法，以及常见研究套路，是不是很贴心呢！
传统PTM的检测技术包括免疫沉淀、邻近标记、Western blot、质谱等高通量检测技术、体外生化分析与细胞模型、体内疾病模型结合临床研究等，例如：利用X射线晶体学、冷冻电镜和核磁共振等技术，研究PTM后的蛋白质结构，揭示PTM如何影响蛋白质的功能；通过体内外实验，研究PTM酶活、特异性和调控机制，以及PTM对蛋白质相互作用和细胞信号转导的影响；随着生物技术以及计算机行业的不断发展，生物学研究也已进入到了大数据时代，例如：通过结合计算生物学和机器学习算法，可预测PTM位点，分析PTM动态变化；通过整合蛋白质组学、基因组学、代谢组学和表观遗传学等多组学数据，获得PTM调控网络全面视图等。
伯远医学质谱平台目前修饰蛋白质组学采用Astral-DIA技术，全面提高定量准确性、鉴定深度，鉴定数量；修饰分析精确到位点、准确判断修饰位点及表达变化；同时提供多组学联合分析，多维度高深度解析生物反应机制。PTM研究的常见套路包括：提出科学问题、选择合适样本进行PTM鉴定、数据分析，验证关键修饰位点、功能性研究。
小医叨叨
综上所述，PTM的研究是一个深具潜力的领域，目前仍有许多未解之谜，对一些新型PTM的研究有助于我们更深入地理解生物体的复杂调控机制。研究PTM不仅有助于揭示疾病的发生机制，还有望为疾病的诊断和治疗提供新的靶点。迄今为止，凭借先进的检测技术，已鉴定出620多种类型的PTM可调节蛋白质活性，并且至少有20种PTM已得到广泛研究（图7），并发现与多种疾病的发病机制密切相关。现有研究手段一般采用质谱检测、IP鉴定、化学标记、生信分析、高分辨率成像技术等手段。对新型PTM研究仍处于未知阶段，随着技术的不断进步和研究的不断深入，我们对PTM的认识将会不断扩展，为生物医学科学和临床应用带来新的突破。
图7 与各种疾病相关的主要常用PTM（Yuan et al., 2024）。
参考文献
Fernando V, Zheng X, Walia Y, et al. S-Nitrosylation: An Emerging Paradigm of Redox Signaling[J]. Antioxidants (Basel). 2019;8(9):404.
Jeoung S, Park H, Ryoo Z, et al. SUMOylation and Major Depressive Disorder[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2022;23(14):8023.
Li X, Yang Y, Zhang B, et al. Lactate metabolism in human health and disease[J]. Signal transduction and targeted therapy, 2022, 7(1): 305.
Yuan Y, Li P, Li J, et al. Protein lipidation in health and disease: molecular basis, physiological function and pathological implication[J]. Signal transduction and targeted therapy, 2024;9(1):60.
Yu W, Zhou R, Li N, et al. Histone tyrosine sulfation by SULT1B1 regulates H4R3me2a and gene transcription [J]. Nature chemical biology, 2023;19(7):855-864.
