蛋白质翻译后修饰（post-translational modification，PTM）指在细胞内经翻译产生的新生肽链或蛋白质在酶催化下进行的各种化学修饰。已确定的蛋白质翻译后修饰类型超过400种，其中，目前研究最多的修饰是磷酸化、糖基化、泛素化、乙酰化、甲基化、SUMO化和氧化等。蛋白质翻译后修饰不仅直接调节蛋白质功能，也大大扩展了蛋白质的化学结构和功能，是蛋白质多样性和复杂性的主要原因之一。

蛋白质翻译后修饰分为可逆和不可逆两种方式。磷酸化、N-位甲基化、N-乙酰化修饰均为可逆修饰，这些修饰可随细胞的生理状态和外界环境变化而改变，从而对细胞的信号传递、酶原激活等起调控作用。因此，这些修饰可作为蛋白质构象和活性改变的调控开关，异常修饰常常参与疾病的发生和发展。目前认为，蛋白质O-位羧基端的甲基化为不可逆修饰。

高通量质谱（mass spectrometry）、蛋白质微阵列等研究方法为鉴别位点特异性翻译后修饰（posttranslational modification，PTM）的研究提供了实用手段，PTM相关数据呈指数级增加，现已鉴定出超过200种不同类型的PTM，因此许多特定PTM类型数据库被开发出来收集这些数据，包括OGLYCBASE、Phospho.ELM等。从各种PTM数据库收集数据之间不可避免地存在异质性，为此开发了整合型 PTM 数据库，比如dbPTM（http：//dbPTM.mbc.nctu.edu.tw/）数据库整合了来自各种数据库的实验验证后的PTM，包括与药物结合相关的超过 1100个PTM位点，并且能够对蛋白质尚未验证的潜在PTM位点进行预测。此外，在dbPTM上还能查看PTM位点三级结构上相邻的氨基酸、溶剂可及表面积和侧链方向等。

蛋白质磷酸化（phosphorylation）是迄今研究最为广泛且在体内最为常见的蛋白质翻译后修饰。大部分是在蛋白激酶的作用下，将一个ATP或GTP上γ位的磷酸基可逆性转移到底物蛋白质的氨基酸残基上。磷酸化位点通常为 Ser、Thr、Tyr侧链的羟基或是 His、Arg、Lys侧链的氨基，少数发生在Asp和Gln的侧链羧基或Cys的侧链巯基。因此，可将磷酸化蛋白质分为 O-磷酸化、N-磷酸化、酰基磷酸化和S-磷酸化四类。

可逆磷酸化过程几乎涉及生物机体的所有生理和病理过程。例如，在细胞信号转导过程中，作为细胞信号的一些激素或细胞因子，与细胞膜受体或细胞内受体结合后，通过激活蛋白激酶及其磷酸化反应，引起细胞内的信号级联效应，参与细胞的增殖和分化、新陈代谢、神经活动、肌肉收缩、肿瘤发生等。

蛋白质糖基化（glycosylation）指在特定糖苷转移酶的作用下，低聚糖（如葡萄糖、半乳糖和甘露糖）等以糖苷形式与蛋白质上特定的氨基酸残基共价结合的过程。可根据连接形式的不同分为N-糖基化、O-糖基化、C-糖基化和糖基磷脂酰肌醇锚定连接四类。糖基化位点处的蛋白多为β构型。其中，N-糖基化、O-糖基化是最为广泛的两类糖基化。N-糖基化即糖链通过与蛋白质的天冬氨酸的自由NH2基共价连接，合成起始于内质网，完成于高尔基体。多发生在特定的氨基酸模序Asn-X-Ser/Thr上。在内质网形成的糖蛋白具有相似的糖链，转运至高尔基体后，糖链被剪切，由多种糖基转移酶依次加上不同类型的糖分子，形成结构各异的寡糖链。O-糖基化即糖链与蛋白质的丝氨酸或苏氨酸的自由OH基共价连接，发生在高尔基体、细胞核或内质网中，目前没有发现特异的蛋白序列作为O-糖基化位点。糖基化位点与磷酸化位点相同或邻近，因此，多种蛋白质的 O-糖基化可起到降低磷酸化的作用。

糖化（glycation）指糖分子（如葡萄糖或果糖）在没有酶参与的条件下，共价结合到蛋白质或脂质的过程，也被称为非酶促糖基化。糖化可发生在体内（内源性糖化）或体外（外源性糖化），是一种不消耗ATP的随机过程。糖化后的蛋白质不被降解、更容易被氧化，因此更容易引起细胞功能受损。相反，糖基化是蛋白质成熟所必需的生理反应。

泛素（ubiquitin）是一种由76个氨基酸组成的高度保守多肽。泛素化（ubiquitination）指蛋白质与泛素共价结合的反应，泛素化可帮助蛋白质在蛋白酶体中被降解，后者是细胞内一些短半衰期蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。泛素控制的蛋白质降解过程不仅能够清除错误折叠的蛋白质，还对细胞周期调控、DNA修复、细胞生长和免疫功能等起调控作用。

泛素控制蛋白质水解的过程是通过泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）进行的，降解过程中需要三种酶参与：泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素蛋白质连接酶（E3）。对蛋白的特异性识别依赖E3，由E2和 E3介导的泛素化过程可以被去泛素酶（deubiquitinating enzymes，DUBs）逆转。凡是抑制泛素蛋白酶系统功能的因素，均可引起或加重细胞内蛋白质的异常聚积，导致相关疾病。

随着泛素化研究的深入，科学家相继发现了一些类泛素蛋白，其中小泛素相关修饰物（small ubiquitin-related modifier，SUMO）是最受瞩目的一类。SUMO化（SUMOylation）与泛素化修饰过程相似，也是一个多酶参与的酶联反应，但两个途径参与的酶则完全不同。首先，SUMO化比泛素化多一步成熟的过程，即 SUMO前体在SUMO蛋白酶（如Ulp1）的作用下，C端的4个（或多个）氨基酸残基被切除，生成成熟的SUMO并露出C端2个赖氨酸残基。接着，在SUMO活化酶E1、结合酶 E2和连接酶 E3的作用下完成SUMO化修饰过程。SUMO化修饰是可逆的，其逆反应被称为去SUMO化。

SUMO化修饰可通过调节蛋白质之间的相互作用、影响靶蛋白在细胞内的分布、阻碍泛素蛋白对靶蛋白的共价修饰、提高靶蛋白的稳定性等，对许多生理病理过程产生重要作用。此外，SUMO化还参与DNA复制、修复和转录调控过程。

已知的乙酰化（acetylation）修饰包括赖氨酸（Lys）、丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）以及已被磷酸化修饰的丝氨酸。蛋白质的乙酰化修饰影响染色质结构和核内转录调控因子的活性，参与转录、信号通路、蛋白质稳定性、细胞代谢、病原微生物感染和细胞自噬等复杂的生理病理过程。细胞核中组蛋白N端Lys乙酰化和去乙酰化分别由组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HAT）和组蛋白去乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）催化。已经发现的 HATs中，对 CREB结合蛋白（CREB-binding protein，CBP）乙酰转移酶和组蛋白乙酰转移酶p300的研究最受关注。

蛋白质甲基化（methylation）是在蛋白质甲基转移酶的作用下，将甲基转移至特定氨基酸残基的反应。常见的甲基化发生在Lys和精氨酸（Arg）上，分为组蛋白 Lys/Arg甲基化和非组蛋白Lys/Arg甲基化，分别由相应的蛋白质Lys甲基化酶和Arg甲基化酶催化。甲基化也是一种可逆的修饰过程。去甲基化酶主要有Lys特异性去甲基化酶和包含Jumonji结构域的蛋白质去甲基化酶家族。

蛋白质的甲基化修饰增加了立体阻力，并且取代了氨基酸残基上的氢，影响了氢键的形成，从而调控信号分子间和信号分子与目标蛋白之间的相互作用，进而参与多种生命调控过程，如转录调控、RNA加工和运输、蛋白翻译、信号转导、DNA修复、蛋白质相互作用、细胞发育与分化等，并与一些疾病（如肿瘤、心血管疾病）的发生发展密切相关。

蛋白质翻译后修饰影响蛋白质的高级结构的形成和维持，从而影响蛋白质活性和功能的范例举不胜举。例如，组蛋白N末端富含赖氨酸，生理条件下带正电，可与带负电的DNA或相邻的核小体发生作用，导致核小体构象紧凑及染色质高度折叠，不利于基因转录。乙酰化使组蛋白与DNA间的作用减弱，导致染色质构象松散，这种构象有利于转录调节因子与转录因子结合，促进基因转录；而去乙酰化则抑制基因转录。组蛋白N端结构域乙酰化导致染色体局部解旋是DNA重新包装的必要和充分的条件。

蛋白质的磷酸化也可改变蛋白的局部构象。在对c-fos蛋白C端结构域上的磷酸化修饰的研究中，发现S362位磷酸化可引发局部构象的改变进而影响转动（turn）结构的稳定性。

蛋白质翻译后修饰异常可导致蛋白质空间结构改变和功能障碍，从而引起疾病。这类疾病被统称构象病（conformational disease）。

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）是一种以记忆损害为特征的慢性进行性中枢神经退行性疾病，其特征性脑病理改变是：在神经细胞内形成大量神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFT）、在神经细胞外形成大量老年斑（senile plaques，SP）。前者的主要成分是异常过度磷酸化的微管结合蛋白tau以成双螺旋细丝（paired helical filaments，PHF）形式在神经细胞内聚积；后者的主要成分是由39～43个氨基酸残基组成的β-淀粉样蛋白（Aβ），Aβ由淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）在β-分泌酶和γ-分泌酶的共同作用下生成，APP和早老素（presenilins）基因突变是导致Aβ过量产生的重要因素。

临床患者记忆能力与实验室病理检测结果的相关分析结果显示，tau蛋白异常聚积形成神经原纤维缠结与AD神经退变和记忆损伤程度呈正相关。由于目前在AD患者及其家系尚未发现tau基因突变，故对AD患者tau蛋白的研究主要集中在蛋白质翻译后修饰，其中，对异常过度磷酸化研究最为深入。蛋白激酶活性增高和（或）蛋白磷酸酶活性降低是tau蛋白过度磷酸化的直接原因。

tau蛋白分子中有80多个可被磷酸化的Ser/Thr位点，其中，在 AD脑中有 40多个位点发生了过度磷酸化。已经发现数十种蛋白激酶可催化tau蛋白的 Ser/Thr位点发生过度磷酸化，在这些蛋白激酶中，关于糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）在 tau 的过度磷酸化中作用受到关注。GSK3β激活可催化tau蛋白的大部分AD相关位点发生过度磷酸化；过氧亚硝酸盐、Aβ、晚期糖化终末产物（advanced glycation end products，AGE）、持续光照、内质网应激等因素均都可通过激活GSK3β诱发tau蛋白发生过度磷酸化。GSK3β活性除受经典ATP依赖的活性活性中心调节外，特定位点磷酸化和分子截断等也可激活或抑制GSK3β活性。Aβ可通过抑制磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）和蛋白激酶C（PKC）两条途径抑制GSK3β活性Ser-9位磷酸化，从而达到持续激活GSK3β的目的。

蛋白磷酸酶催化tau蛋白去磷酸化，AD患者脑中多种蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PP）活性降低，包括 PP2A、PP2B、PP5和 PP1，其中，体外和动物在体实验均证实，PP2A对tau蛋白去磷酸化作用的活性最强、比活性最高，提示PP2A是tau蛋白去磷酸化的有效分子靶点。然而，直接过度激活PP2A可能导致肿瘤发生，因此，通过下调PP2A的内源性蛋白抑制分子来部分恢复PP2A活性引起关注。此外，蛋白激酶和磷酸酯酶存在交互调节作用，例如，GSK3β激活可通过上调PP2A的内源性蛋白抑制因子（inhibitor-1 or inhibitor-2 of PP2A），从而抑制PP2A活性。Pin1对tau的脯氨酸异构化能增强PP2A的去磷酸化过程，而GSK3β能通过激活氧化应激间接抑制Pin1活性从而抑制去磷酸化。这些信息在研发拮抗tau蛋白过度磷酸化策略时值得关注。

AD患者脑内tau蛋白的糖化和N-糖基化水平与对照组相比显著增高，而O-糖基化水平则下降。糖尿病患者患AD的风险更高，而糖尿病患者和老年人的糖化蛋白水平相对较高。糖化能促进tau蛋白的磷酸化和聚集。异常N-糖基化在PHF-tau的螺旋结构形成和稳定性中起重要作用，可促使tau蛋白的磷酸化和聚集。而由于 O-糖基化和磷酸化位点相同或邻近，竞争相同的苏氨酸/丝氨酸残基，或者在邻近部位通过空间位阻效应改变蛋白分子的化学修饰，因此，O-糖基化可抑制tau蛋白磷酸化。

tau蛋白Lys340可与SUMO1共价结合而被SUMO化修饰，由于SUMO化与泛素化发生在同一氨基酸，正常时二者处于动态平衡状态，对保障细胞内tau蛋白的降解至关重要。tau蛋白磷酸化可促进SUMO化，后者可直接拮抗泛素化或通过阻止泛素与蛋白酶体结合而抑制tau蛋白的降解，从而促进tau蛋白聚积。由于tau蛋白磷酸化 与SUMO化相互促进，激活磷酸酯酶和（或）抑制蛋白激酶均可通过抑制tau蛋白磷酸化而抑制其SUMO化、增加泛素化而达到促进tau蛋白降解。

tau蛋白可被天冬酰胺内肽酶（asparaginyl endopeptidase，AEP）和胱天蛋白酶（caspase）等截断，形成的tau片段分子更容易被磷酸化和聚积、细胞毒性作用增强。此外，磷酸化后的tau易受到AEP和caspase等剪切，并促进tau的糖化、硝基化和SUMO化等翻译后修饰；磷酸化tau、Aβ和神经原纤维缠结水平的升高也会抑制泛素-蛋白酶体对tau的降解作用。这些因素的共同作用是促进神经原纤维缠结形成（图2-3）。

此外，发动蛋白相关蛋白 1（dynamin-related protein 1，Drp1）、载脂蛋白 E（apolipoprotein E，ApoE）、周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）、10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN）、热休克蛋白 90（heat shock protein 90，HSP90）等多种蛋白质的巯基亚硝基化（S-nitrosylation，SNO）也参与 AD的病理过程。

帕金森病（Parkinson disease，PD）是发病率仅次于AD的神经退行性疾病。其主要病理特征是位于中脑黑质致密部的多巴胺能神经元的丧失以及在残存神经元中形成大量路易小体（Lewy body，LB）。路易小体的形成与α-突触核蛋白（α-synuclein）的磷酸化有关，α-突触核蛋白第 129位丝氨酸可以被G蛋白偶联受体激酶 5（G-protein-coupled receptor kinase-5）磷酸化，进而引起α-突触核蛋白的积聚和路易小体的形成，从而参与PD的发病过程。

Parkin蛋白为 E3泛素蛋白连接酶，该蛋白编码基因的突变是导致常染色体隐性早发型PD的主要原因。氧化应激导致的parkin翻译后修饰可抑制E3连接酶活性；CDK5激活可磷酸化 parkin的131位点的丝氨酸，阻碍泛素化降解过程，进而导致parkin聚积。

DJ-1蛋白编码基因突变也会导致PD的多巴胺能神经元丢失，引起早发型PD。DJ-1蛋白 L166P突变引起异常SUMO化过程，导致单一位点多聚SUMO化或多位点SUMO化。这将导致DJ-1的溶解度降低以及蛋白酶依赖的降解过程的增加，进而引起DJ-1功能障碍，细胞对氧化应激的敏感度增加。

铁转移蛋白是一种糖基化的金属转运血清蛋白。在PD患者体内，检测到铁转移蛋白糖基化水平过高。糖基化稳定了铁转移蛋白，间接地调节了铁离子的平衡。

亨廷顿病（Huntington disease，HD）是一种常染色体显性遗传神经退行性疾病。其病因是Huntingtin蛋白（HTT）基因编码区的CAG重复片段不稳定扩增，使 HTT的 N端出现多聚谷氨酰胺（polyQ），后者在细胞尤其是突触中聚集，损伤神经细胞功能。患者一般在中年发病，表现为舞蹈样动作，随着病情进展逐渐丧失说话、行动、思考和吞咽的能力，最终导致死亡。

HTT的翻译后修饰与疾病的发生发展有密切联系。早期研究显示，谷氨酰胺的异常扩增阻断了N端赖氨酸K6、K9、K15的泛素化及其降解过程，从而导致HTT片段的积聚和毒性。而HTT的第421位和第434位的丝氨酸分别可被蛋白激酶 Akt和 CDK5磷酸化，这两个位点的磷酸化均可减少突变 HTT所引起的神经元毒性。IκB激酶（IKK）复合体可磷酸化 HTT第13位丝氨酸并促进野生型HTT蛋白的清除，可能对HD有保护作用。

此外，HTT的第17位氨基酸的SUMO化可调节蛋白的细胞定位、活性和稳定性。HTT的第444位赖氨酸的乙酰化可促进其通过自噬途径清除，而突变导致的乙酰化抵抗将引起异常积聚和神经退行性变。

此外，脊髓小脑共济失调Ⅰ型（spinocerebellar ataxia type 1，SCA1）也是一种由PolyQ引起的神经退行性疾病。其致病蛋白ataxin-1的第 776位丝氨酸可被 Akt磷酸化，进而促进 14-3-3蛋白与ataxin-1结合并阻碍后者的降解，导致ataxin-1核内包涵体形成并发挥神经元毒性作用。