许多蛋白质已经被鉴定为具有临床价值的潜在生物标志物，它们几乎是所有细胞功能的直接执行者。大量的翻译后修饰（PTMs）增加了蛋白质的显著多样性，这些修饰可以快速和可逆地响应环境或细胞内刺激，最终将成为生物标记候选物的宝贵资源。所以分析蛋白质及其翻译后修饰对于心脏病、癌症、神经退行性疾病和糖尿病的研究及寻找biomarker尤为重要。

以被人们称为“富贵病”的结直肠癌（CRC）为例，今年5月，国内长期从事质谱蛋白组学及肿瘤生物标志物筛选的吉林大学刘宁教授课题组在Biochimica et Biophysica Acta (BBA) (IF 7.365) 杂志上发表了题为“Proteomics of post-translational modifications in colorectal cancer: Discovery of new biomarkers. ”的综述论文。该综述再次强调了蛋白PTM的重要性，展示了几种关键PTM蛋白组学（包括磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化、甲基化、瓜氨酸化等）分析策略，并就 PTM 调控如何在转化医学中对 CRC 的早期诊断、预后分层和治疗干预发挥重要作用提供了观点和依据。

 

01 磷酸化修饰组学

蛋白质磷酸化（Phosphorylation ），常常发生在丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上，是最常见的PTM之一。该修饰充当许多蛋白质功能的分子开关，也有较多的研究结果表明磷酸化的蛋白参与较多的信号通路，因此，驱动肿瘤发生和CRC发展的磷酸化蛋白可以作为早期诊断、化疗耐药性和个体化治疗的有价值的生物标志物。由于化学计量和磷酸化蛋白的丰度问题，在质谱分析之前有必要富集和/或分馏磷酸化肽再进行分析研究。

 

02 糖基化修饰组学

糖基化（Glycosylation）也是一种常见的翻译后修饰类型，主要包括天冬氨酸残基上的N-糖基化和丝氨酸、苏氨酸残基上的O-糖基化。有文献表明，结直肠癌中生长因子受体（如EGFR）的糖基化，能够改变药物与受体的相互作用；参与糖基化的N-乙酰氨基葡萄糖转移酶V，可能是CRC诊断和预后的潜在生物标记。基于质谱的糖蛋白组学能够系统地表征糖蛋白的修饰位点和聚糖结构，有助于我们理解糖基化在结直肠癌发生和进展中的生物学作用，并发现诊断和治疗中的生物标志物。

 

03 乙酰化修饰组学

蛋白质的乙酰化修饰（Acetylation）是在乙酰基转移酶的作用下，蛋白质的赖氨酸残基上添加乙酰基的过程，是细胞控制基因表达、蛋白质的活性或生理过程的一种机制，乙酰化修饰也存在于非组蛋白中，并广泛涉及信号转导、细胞周期、染色质重塑、DNA修复和复制、RNA剪接、蛋白质稳定性和转运以及转录调控。有文献表明组蛋白乙酰化能够导致致癌基因和肿瘤抑制基因的异常转录活性，而非组蛋白乙酰乙酰化导致前致癌因子和肿瘤抑制因子的稳定性和活性改变，组蛋白和非组蛋白的乙酰化是肿瘤发生和发展的关键生物标志物，也是治疗干预的潜在靶点。

 

04 泛素化修饰组学

泛素是一种由76个氨基酸组成的多肽，在C端与赖氨酸 ε 氨基形成共价键，由激活（E1）、结合（E2）和连接酶（E3）催化，反向过程由脱泛素酶催化。泛素化修饰（Ubiquitination）参与多种生物过程，如DNA损伤修复、信号转导、细胞凋亡、肿瘤发生和转移。KEGG通路分析表明，RNA转运、泛素介导的蛋白分解、TNF信号通路、氨基糖和核苷酸葡萄糖代谢、胰岛素信号通路、p53信号通路、碱基切除修复和细胞周期是与肿瘤转移相关的蛋白泛素化的主要途径。Wnt信号通路和c-Myc介导的信号通路的泛素化在结直肠癌中发挥重要作用。对于泛素化的大规模研究以分析也是需要特异性的富集其位点，常用的方法之一是抗体法。

 

05 甲基化修饰组学

甲基化(methyation)是指从活性甲基化合物(如S-腺苷基甲硫氨酸)上将甲基催化转移到其他化合物的过程，可形成各种甲基化合物，或是对某些蛋白质或核酸等进行化学修饰形成甲基化产物。甲基化是蛋白质和核酸的一种重要的修饰，调节基因的表达和关闭，与癌症、衰老、老年痴呆等许多疾病密切相关，是表观遗传学的重要研究内容之一。

 

06 瓜氨酸修饰组学

瓜氨酸化(citrullination)是指在蛋白质精氨酸脱亚胺酶(peptidylarginine deiminases，PADs)作用下蛋白质肽链中的精氨酸残基转化为瓜氨酸残基的过程，对调节染色质重塑和免疫细胞的细胞外捕获过程至关重要。瓜氨酸水平和PAD活性都是CRC的重要生物标志物，参与肿瘤的发展和进展，比如：在原发性CRC肿瘤中，PAD2和PAD4的低表达被认为与低生存率有关；肝转移中细胞外基质的PAD4和瓜氨酸水平在结肠癌细胞的粘附和迁移中起着关键作用。正是这一低丰度、0.984Da的小质量增加的翻译后修饰类型，使得该PTM成为疾病研究过程中的热点和难点。

 

小结

文章系统总结了CRC中几种PTM类型，重点是使用各种质谱方法对其进行研究。CRC中的PTM更多的发生在磷酸化、乙酰化和糖基化上，同时，越来越多的证据表明，甲基化和泛素化、精氨酸残基上的瓜氨酸化等PTM在CRC的发生和发展中发挥着新的作用。