Сигнальный пептид (иногда называемый сигнальной последовательностью , сигналом нацеливания , сигналом локализации , последовательностью локализации , транзитным пептидом , лидерной последовательностью или лидерным пептидом ) представляет собой короткий пептид (обычно длиной 16-30 аминокислот ) [1], присутствующий в N- конце (или иногда неклассически на С-конце [2] или внутри) большинства вновь синтезированных белков , которые направляются по секреторному пути . [3] К этим белкам относятся те, которые находятся либо внутри определенных органелл ( эндоплазматический ретикулум , аппарат Гольджи или эндосомы ), секретируются из клетки или встраиваются в большинство клеточных мембран. Хотя большинство мембраносвязанных белков типа I содержат сигнальные пептиды, большинство мембраносвязанных белков типа II и многопролетных мембраносвязанных белков направляются на секреторный путь с помощью своего первого трансмембранного домена , который биохимически напоминает сигнальную последовательность, за исключением того, что он не расщепляется. Они являются своего рода целевым пептидом .
Сигнальные пептиды побуждают клетку переместить белок , обычно в клеточную мембрану. У прокариот сигнальные пептиды направляют вновь синтезированный белок в белок-проводящий канал SecYEG, который присутствует в плазматической мембране . Гомологичная система существует у эукариот , где сигнальный пептид направляет вновь синтезированный белок в канал Sec61, который имеет структурную и последовательность гомологию с SecYEG, но присутствует в эндоплазматическом ретикулуме. [4] Каналы SecYEG и Sec61 обычно называются транслоконами , а транзит через этот канал известен как транслокация. Пока секретируемые белки проходят через канал, трансмембранные домены могут диффундировать через латеральные ворота транслокона и распределяться в окружающую мембрану.
Ядро сигнального пептида содержит длинный участок гидрофобных аминокислот (длиной около 5–16 остатков) [5] , который имеет тенденцию образовывать одну альфа-спираль и также называется «h-областью». Кроме того, многие сигнальные пептиды начинаются с короткого положительно заряженного участка аминокислот, что может помочь обеспечить правильную топологию полипептида во время транслокации в соответствии с так называемым правилом положительной внутренней части . [6] Из-за близкого расположения к N-концу его называют «n-областью». На конце сигнального пептида обычно имеется участок аминокислот, который распознается и расщепляется сигнальной пептидазой и поэтому называется сайтом расщепления. Этот сайт расщепления отсутствует в трансмембранных доменах, которые служат сигнальными пептидами, которые иногда называют сигнальными якорными последовательностями. Сигнальная пептидаза может расщеплять либо во время, либо после завершения транслокации с образованием свободного сигнального пептида и зрелого белка. Свободные сигнальные пептиды затем расщепляются специфическими протеазами. Более того, разные типы сигнальных пептидов нацелены на разные целевые места. Например, структура целевого пептида, нацеленного на митохондриальную среду, различается по длине и демонстрирует чередование небольших положительно заряженных и гидрофобных участков. Сигнальные пептиды, направляющие ядро, могут быть обнаружены как на N-конце, так и на С-конце белка и в большинстве случаев сохраняются в зрелом белке.
Аминокислотную последовательность N-концевого сигнального пептида можно определить с помощью деградации по Эдману — циклической процедуры, при которой аминокислоты отщепляются по одной. [7] [8]
Как у прокариот, так и у эукариот сигнальные последовательности могут действовать котрансляционно или посттрансляционно.
Путь котрансляции инициируется, когда сигнальный пептид выходит из рибосомы и распознается частицей распознавания сигнала (SRP). [9] Затем SRP останавливает дальнейшую трансляцию (арест трансляции происходит только у эукариот) и направляет комплекс сигнальная последовательность-рибосома-мРНК к рецептору SRP , который присутствует на поверхности либо плазматической мембраны (у прокариот), либо ЭР ( у эукариот). [10] Как только мембранное нацеливание завершено, сигнальная последовательность вставляется в транслокон. Затем рибосомы физически прикрепляются к цитоплазматической поверхности транслокона, и синтез белка возобновляется. [11]
Посттрансляционный путь начинается после завершения синтеза белка. У прокариот сигнальная последовательность посттрансляционных субстратов распознается белком- шапероном SecB , который передает белок АТФазе SecA , которая, в свою очередь, перекачивает белок через транслокон. Хотя известно, что посттрансляционная транслокация происходит у эукариот, она плохо изучена. Известно, что у дрожжей для посттрансляционной транслокации необходим транслокон и два дополнительных мембраносвязанных белка, Sec62 и Sec63 . [12]
Сигнальные пептиды чрезвычайно гетерогенны, многие прокариотические и эукариотические пептиды функционально взаимозаменяемы внутри или между видами, и все они определяют эффективность секреции белка. [13] [14] [15]
У позвоночных область мРНК, которая кодирует сигнальный пептид (т.е. область, кодирующая сигнальную последовательность, или SSCR), может функционировать как элемент РНК со специфическими активностями. SSCR способствуют экспорту ядерной мРНК и правильной локализации на поверхности эндоплазматической сети. Кроме того, SSCR имеют специфические особенности последовательности: они имеют низкое содержание аденина , обогащены определенными мотивами и имеют тенденцию присутствовать в первом экзоне с частотой, превышающей ожидаемую. [16] [17]
Белки без сигнальных пептидов также могут секретироваться нетрадиционными механизмами. Например, Интерлейкин, Галектин. [18] Процесс, посредством которого такие секреторные белки получают доступ к внешней поверхности клетки, называется секрецией нетрадиционных белков (UPS). У растений даже 50% секретируемых белков могут быть зависимы от УПС. [19]
Сигнальные пептиды обычно располагаются на N-конце белков. Некоторые имеют С-концевые или внутренние сигнальные пептиды (примеры: сигнал пероксисомального нацеливания и сигнал ядерной локализации). Структура этих неклассических сигнальных пептидов сильно отличается от N-концевых сигнальных пептидов. [2]
Сигнальные пептиды не следует путать с лидерными пептидами, иногда кодируемыми лидерной мРНК, хотя оба иногда неоднозначно называют «лидерными пептидами». Эти другие лидерные пептиды представляют собой короткие полипептиды, которые не участвуют в локализации белка, но вместо этого могут регулировать транскрипцию или трансляцию основного белка и не являются частью конечной последовательности белка. Этот тип лидерного пептида в первую очередь относится к форме регуляции генов, обнаруженной у бактерий, хотя аналогичный механизм используется для регуляции генов эукариот, который называется uORF (восходящие открытые рамки считывания).