Posttranslationale Modifikationen (PTMs) sind kovalente chemische Veränderungen, die an Proteinen auftreten, nachdem sie vom Ribosom synthetisiert wurden. PTMs erweitern die funktionelle Vielfalt des Proteoms erheblich, indem sie die Proteinaktivität, -lokalisation, -stabilität und -interaktionen verändern.

Häufige Arten posttranslationaler Modifikationen

Phosphorylierung

Unter Phosphorylierung versteht man die Anfügung einer Phosphatgruppe an Serin-, Threonin- oder Tyrosinreste durch Proteinkinasen. Es ist eines der häufigsten und wichtigsten PTMs und fungiert als molekularer Schalter, der die Enzymaktivität, Signaltransduktion und Protein-Protein-Wechselwirkungen reguliert. Phosphatasen entfernen Phosphatgruppen und sorgen so für Reversibilität.

Glykosylierung

Unter Glykosylierung versteht man die Bindung von Kohlenhydratketten an Proteine. Bei der N-verknüpften Glykosylierung werden Zucker an Asparaginreste gebunden. Bei der O-verknüpften Glykosylierung werden sie an Serin oder Threonin gebunden. Die Glykosylierung beeinflusst die Proteinfaltung, die Stabilität und die Zell-Zell-Erkennung. Es ist besonders wichtig für Membran- und sezernierte Proteine.

Ubiquitinierung

Unter Ubiquitinierung versteht man die Bindung von Ubiquitin – einem kleinen regulatorischen Protein – an Lysinreste. Eine Kette aus vier oder mehr Ubiquitin-Molekülen zielt auf das Protein ab, um es durch das Proteasom abzubauen. Monoubiquitinierung kann die Proteinlokalisierung und -aktivität verändern. Diese Modifikation ist für den Proteinumsatz und die Qualitätskontrolle von zentraler Bedeutung.

Acetylierung

Acetylierung ist die Anfügung einer Acetylgruppe an Lysinreste (auf Histonen) oder an den N-Terminus von Proteinen. Die Histonacetylierung entspannt die Chromatinstruktur und fördert so die Genexpression. Die N-terminale Acetylierung beeinflusst die Proteinstabilität und das Targeting.

Methylierung

Unter Methylierung versteht man die Anlagerung von Methylgruppen an Lysin- und Argininreste, am häufigsten an Histonen. Je nach spezifischem Rest und Methylierungsgrad kann es die Genexpression aktivieren oder unterdrücken. Die Methylierung von Arginin ist auch an der RNA-Verarbeitung und Signaltransduktion beteiligt.

Bildung von Disulfidbindungen

In oxidierenden Umgebungen wie dem endoplasmatischen Retikulum bilden sich Disulfidbindungen zwischen Cysteinresten. Diese kovalenten Vernetzungen stabilisieren die Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen, insbesondere in sekretierten und extrazellulären Proteinen.

Andere Änderungen

Es gibt viele andere PTMs, darunter Lipidierung (Anbindung von Lipidgruppen zur Membranverankerung), SUMOylierung (ähnlich der Ubiquitinierung, reguliert aber eher die Funktion als den Abbau), Nitrosylierung und Hydroxylierung. Massenspektrometrie ist das wichtigste Werkzeug zur Identifizierung und Charakterisierung von PTMs.