蛋白质翻译后修饰概览
尽管蛋白质组学已为我们提供了细胞中蛋白表达的全景图谱，但仅有蛋白表达量信息，远不足以解释生命系统的动态调控行为。蛋白质的功能状态，并不简单由其表达水平所决定，而是高度依赖于翻译后所发生的共价修饰事件，即所谓的翻译后修饰（Post-Translational Modifications, PTMs）。这些修饰包括酶促或非酶促地将化学基团（如磷酸、乙酰、甲基、泛素等）添加至特定氨基酸残基，从而调控蛋白质的构象、酶活性、稳定性、亚细胞定位及其与其他生物大分子的相互作用。
当前已有研究表明，超过80%的功能性蛋白质在体内处于某种翻译后修饰状态，其中许多修饰具备动态性、可逆性和时空特异性，可在数秒至分钟的尺度内响应外界刺激。例如，细胞信号转导过程中激酶和磷酸酶的协同作用，可实现对信号级联的放大与反馈调控；而泛素-蛋白酶体系统通过多聚泛素链型的差异，构建出复杂的降解选择性和非降解性信号传导通路。更重要的是，多个修饰往往并非独立发生，而是呈现“串扰（crosstalk）”关系，通过互作、竞争、协同等模式在蛋白质表面构建出高度复杂的“修饰码（PTM code）”，对细胞命运决策与功能分化具有深远影响。
Cell Res 24, 143–160 (2014)
真核细胞中多种可逆和不可逆的蛋白质翻译后修饰 (PTM) 机制
在系统生物学视角下，PTMs被认为是连接基因型与表型之间的关键桥梁，代表了除表达量之外的第四层调控逻辑。其研究不仅为我们揭示细胞信号网络、表观遗传调控与应激应答等过程的精细机制，也为疾病机制解析、药物靶点筛选与临床标志物发现提供了关键突破口。近年来，新型修饰（如乳酸化、羟丁酰化、谷胱甘肽化等）的陆续发现进一步拓展了我们对代谢-表观-信号联通性的理解，表明PTMs是理解生命系统复杂性的核心切入点之一。
常见的翻译后修饰类型
蛋白质翻译后修饰（PTMs）涵盖数百种不同的化学修饰类型，其中一些在进化中高度保守，另一些则仅限于特定生理状态或特定物种。它们主要发生在蛋白质链的侧链官能团上（尤其是Ser, Thr, Tyr, Lys, Arg, Cys等残基），通过酶促或非酶促的方式引入小分子基团、多肽或糖链等修饰单位。以下列举并解析几类在研究和临床中最具代表性的PTM类型及其作用机制：
1、磷酸化（Phosphorylation）
磷酸化是最为广泛研究的一种PTM，由蛋白激酶（kinase）催化，将ATP来源的磷酸基团转移至蛋白质的丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）或酪氨酸（Tyr）残基上，生成磷酸化肽段。该修饰高度动态，可被磷酸酶（phosphatase）可逆去除，构成一种基于开/关机制的调控系统。
这一修饰主导着绝大多数细胞内信号转导级联，如MAPK、PI3K-Akt、JAK-STAT等经典通路中，磷酸化事件驱动激酶活化、转录因子核转位、细胞周期调控等关键生物过程。因其反应速度快、放大效应强，磷酸化常被视为最核心的信息传递修饰形式。
PLoS One. 2016 May 31;11(5)
MAPK 级联及其激活机制的示意图
质谱检测中，磷酸肽因带负电荷而需通过IMAC或TiO₂进行选择性富集；而位点定位常依赖于高分辨MS/MS数据中的中性丢失离子（如–98 Da）以及精确的b/y离子匹配。
2、乙酰化
乙酰化（acetylation）最早是在组蛋白上发现，后被证实广泛存在于非组蛋白蛋白质中。其核心功能在于调节赖氨酸残基正电荷，从而改变蛋白与DNA、蛋白与蛋白之间的静电相互作用。对组蛋白而言，这种修饰直接关系到染色质的开放程度和转录可及性，是表观遗传调控的基本符号。
但近年来，非组蛋白乙酰化逐渐成为研究焦点。在代谢酶、信号转导分子和结构蛋白中，乙酰化通过影响构象稳定性、酶活性甚至亚细胞定位而参与多层级调控。例如，p53的多位点乙酰化不仅增强其DNA结合能力，还调节其与泛素化系统之间的交叉调控，延长其半衰期，避免异常降解。
此外，乙酰化与能量代谢的连接尤为紧密。细胞内乙酰辅酶A浓度的波动可直接影响乙酰化水平，形成从代谢通量到表观状态的耦联通道。因此，乙酰化已不再只是“转录开关”，而是一种“代谢-表观信息中介”。
在质谱检测中，乙酰化肽段由于无电荷变化，识别难度大，需借助高亲和力的anti-acetyl-Lys抗体富集，常采用Lys-N或Trypsin酶解以保留关键修饰位点，定量推荐使用TMT或label-free策略。数据分析中需特别注意与其他修饰（如甲酰化、谷酰化）质量漂移接近所造成的定性混淆。
3、甲基化（Methylation）
与磷酸化或乙酰化不同，甲基化（methylation）并不引起电荷变化，其功能也更偏向于构建“稳定状态”。组蛋白甲基化是这一类别中研究最深的修饰类型，不同位点和甲基数目（mono-/di-/tri-methylation）对染色质结构与基因表达有着精确调控功能。例如，H3K4me3常作为启动子激活的标记，而H3K27me3则与沉默区域高度相关。
但甲基化的作用远不止于组蛋白。诸如转录因子、信号蛋白、RNA结合蛋白等非组蛋白甲基化事件，在细胞发育、胚胎分化和干细胞命运决定中逐渐显露其调控效应。一个值得关注的问题是，许多甲基化位点的生物学功能目前仍属未知，部分甲基化甚至可能作为“保护性封闭”标志而非功能激活，提示我们对其“功能性解读”仍处在初级阶段。
质谱上，甲基化修饰的质量变化小（+14.0157 Da），需精确区分单/双/三甲基状态。且修饰异构体之间谱图重叠严重，通常建议采用高分辨率MS和多重酶切验证，辅以抗甲基化抗体富集提高特异性。
4、泛素化与类泛素修饰
泛素化（ubiquitination）是指将76个氨基酸组成的小分子蛋白——泛素（ubiquitin）通过异肽键（isopeptide bond）共价连接至目标蛋白赖氨酸残基的过程。泛素化是最具“可塑性”的修饰类型之一。它既可作为蛋白质降解的直接标记，也能通过构建多种链型（K48、K63、K11、线性链等）参与细胞信号调控、DNA修复、膜转运乃至转录调控等过程。
Apoptosis. 2022 Oct; 27(9-10):668-684
各种类型的泛素连接及相关功能
除泛素外，细胞中还存在一类结构相似、但功能侧重不同的“小泛素样蛋白”（Ubiquitin-like proteins, Ubls），包括：
-
-
-
SUMO（小泛素相关修饰）：参与转录因子调控、DNA修复和核-胞质运输；
-
NEDD8：通过修饰Cullin蛋白调节泛素E3连接酶复合体（CRL）的活性；
-
ISG15：在抗病毒应答中表达上调，影响干扰素信号放大。
-
-
与大多数小分子修饰不同，泛素为完整蛋白，其在样品酶解后留下一个典型的二肽残基（Gly-Gly），位于赖氨酸侧链上，产生+114.0429 Da的质量偏移。识别这类残基的关键在于：
-
-
-
使用K-ε-GG抗体富集特异性肽段；
-
结合高分辨质谱（MS/MS）获得b/y离子精确定位；
-
辅以多酶联合酶解（如Trypsin + Lys-C）提高修饰覆盖率。
-
-
5、糖基化
糖基化（glycosylation）是唯一以“结构多样性”为功能基础的翻译后修饰类型。与磷酸化、乙酰化这类“功能性单点修饰”不同，糖基化的功能往往依赖于其糖链结构、长度、分支与位置的变化。
N-糖基化（Asn）与O-糖基化（Ser/Thr）在细胞表面蛋白、分泌蛋白和受体蛋白中广泛存在，调节其折叠效率、膜定位、免疫逃逸能力等。例如，PD-L1的N-糖基化增强其稳定性和膜表达，是肿瘤免疫抑制机制的一部分。糖链的改变也是肿瘤转化过程中的重要标志，如Tn抗原（O-GalNAc）在多种癌细胞中表达升高。
糖基化的最大挑战在于其异质性：同一糖基化位点可能存在数十种不同的糖型（glycoforms），这对检测与定量带来巨大压力。HILIC、PGC等色谱方法结合MSn技术是当前主流策略，但对于复杂糖型解析仍需多平台数据融合。
此外，糖基化研究高度依赖生物信息学注释，如GlycoWorkbench、Byonic中集成的糖链结构数据库，在非靶向检测中更是不可或缺。
6、新型修饰
随着高分辨率质谱（HR-MS）和靶向富集技术的发展，许多以往难以捕捉的新型翻译后修饰逐渐进入研究视野。这些修饰通常与代谢物直接相关，具有时间尺度快、调控范围广、对环境变化高度敏感的特征，成为连接细胞代谢状态与表观遗传程序之间的关键枢纽。以下是当前研究热点中数种具代表性的新型修饰：
（1）乳酸化（Lactylation）
乳酸化（Kla）（lactylation）是最具代表性的代谢型修饰，最早由Zhang等于2019年在组蛋白H3上发现，是由内源性L-乳酸供体通过酰基转移机制修饰赖氨酸侧链的过程。该修饰在缺氧、糖酵解增强（Warburg效应）、免疫应答等背景下显著上调，已被证实能够调控巨噬细胞极化（M1→M2）、干细胞命运和癌基因表达等过程。
Trends Biochem Sci. 2020 Mar;45(3):179-182.
组蛋白乳酸化介导基因表达促进M2样表型
其机制表明乳酸不仅是代谢副产物，更是可直接参与调节染色质活性的信号分子。研究已发现组蛋白以外的非组蛋白靶点（如酶类、转录因子）也可发生乳酸化，提示其在转录调控与蛋白互作网络中发挥广泛功能。
检测难点：乳酸化肽段的质量偏移（+72.0211 Da）容易与其他修饰混淆，且靶点丰度极低，需结合特异性抗体富集与纳升LC-MS/MS检测。
（2）羟丁酰化（β-Hydroxybutyrylation, Kbhb）
β-羟丁酸（BHB）是饥饿、禁食或酮饮食条件下生成的主要酮体，它可在体内高浓度积累，并作为修饰底物引入赖氨酸侧链，形成β-羟丁酰化修饰。该修饰在肝脏、肌肉、脑组织中广泛存在，被认为是能量缺乏状态下表观转录程控的关键标志。
研究发现Kbhb可竞争乙酰化位点，进而抑制炎症基因表达（如NF-κB靶基因），提升氧化应激耐受性，是长寿、代谢健康等领域的重要关注对象。
技术挑战：Kbhb修饰的异构体较多，需通过高分辨MS及串联质谱碎片信息精细鉴定；结合SILAC标记或PRM/targeted MS有助于修饰定量。
（3）谷胱甘肽化（S-glutathionylation）
谷胱甘肽（GSH）是细胞内最主要的抗氧化小分子，其在氧化胁迫状态下可通过二硫键与蛋白质巯基形成混合二硫键（S-SG），即S-谷胱甘肽化。该修饰对保护重要酶类免受不可逆氧化、调控酶活性、传递ROS信号等具有重要意义。
S-glutathionylation通常发生在Cys残基上，具有可逆性，可被谷胱甘肽还原酶（GR）或硫氧还蛋白酶（Trx）系统去修饰。
质谱识别要点：修饰质量偏移为+305.0682 Da，因巯基反应活性高，样品制备需快速低温处理，避免假阳性。衍生化捕获策略（如Biotin-GSH）已逐步被用于富集低丰度修饰肽。
（4）乙酰谷氨酰化（Acetylglutarylation）、丙酰化（Propionylation）、丁酰化（Butyrylation）等：线粒体代谢衍生修饰
这些脂肪酸中间体衍生的修饰形式，广泛发生于线粒体内膜蛋白与代谢酶上。它们反映了细胞脂质代谢活动水平，并通过竞争赖氨酸乙酰化调节转录因子活性、染色质状态与细胞命运。例如，丁酰化已被报道可调控p53依赖性凋亡过程。
这些修饰均存在位点交叠、质量漂移重叠等识别难点，需结合特异富集策略与靶向碎片分析方法联合鉴定。
关于我们
北京百泰派克生物科技有限公司致力于为生物/制药和医疗器械行业提供质量控制检测和项目验证等专业服务。公司实验室遵循NMPA、ICH、FDA和EMA等的法规和指导原则，通过CNAS/ISO9001双重质量体系认证，建立了完备的质量体系，数据冷热/异地备份，设备定期计量/期间核查，软件审计追踪，为客户提供一体化解决方案和技术服务，支持新药研发、药物申报注册和生产放行。
1.公司采用ISO9001质量控制体系，专业提供以质谱为基础的CRO检测分析服务；
2.获国家CNAS实验室认可，为客户提供符合全球药政法规的药物质量研究服务；
3.业务范围覆盖蛋白质组学、多肽组学、代谢组学、生物药物表征、单细胞分析、单细胞质谱流式、生信云分析以及多组学生物质谱整合分析等；
4.七大质量控制检测平台，满足您一站式服务需求；
5.服务3000+企业，10000+客户的选择；
6.致力于为您提供优质的生物质谱分析服务!