stringtranslate.com

Нацеливание на белок

Нацеливание белков или сортировка белков — это биологический механизм , посредством которого белки транспортируются в соответствующие места назначения внутри или снаружи клетки. [1] [2] [примечание 1] Белки могут быть направлены во внутреннее пространство органеллы , различные внутриклеточные мембраны , плазматическую мембрану или наружу клетки посредством секреции . [1] [2] Информация, содержащаяся в самом белке, направляет этот процесс доставки. [2] [3] Правильная сортировка имеет решающее значение для клетки; ошибки или дисфункции в сортировке связаны со многими заболеваниями. [2] [4] [5]

История

Гюнтер Блобель, удостоенный Нобелевской премии по физиологии 1999 года за открытие того, что белки содержат внутренние сигнальные последовательности.

В 1970 году Гюнтер Блобель провел эксперименты по транслокации белков через мембраны . Блобель, тогда доцент Рокфеллеровского университета , основывался на работе своего коллеги Джорджа Паладе . [6] Ранее Палад продемонстрировал, что несекретируемые белки транслируются свободными рибосомами в цитозоле, в то время как секретируемые белки (и целевые белки в целом) транслируются рибосомами, связанными с эндоплазматическим ретикулумом . [6] Возможные объяснения в то время постулировали разницу в обработке между свободными и связанными с ЭР рибосомами, но Блобель выдвинул гипотезу, что нацеливание белков основывается на характеристиках, присущих белкам, а не на различии в рибосомах. Поддерживая свою гипотезу, Блобель обнаружил, что многие белки имеют короткую аминокислотную последовательность на одном конце, которая функционирует как почтовый индекс, указывающий внутриклеточное или внеклеточное место назначения. [3] Он описал эти короткие последовательности (обычно от 13 до 36 аминокислотных остатков) [1] как сигнальные пептиды или сигнальные последовательности и был удостоен за это Нобелевской премии по физиологии в 1999 году. [7]

Сигнальные пептиды

Сигнальные пептиды служат в качестве сигналов нацеливания, позволяя клеточным транспортным машинам направлять белки в определенные внутриклеточные или внеклеточные места. Хотя для сигнальных пептидов не было идентифицировано консенсусной последовательности , многие из них, тем не менее, обладают характерной трехкомпонентной структурой: [1]

  1. Положительно заряженная гидрофильная область вблизи N-конца.
  2. Участок из 10–15 гидрофобных аминокислот вблизи середины сигнального пептида.
  3. Слегка полярная область вблизи С-конца, обычно отдающая предпочтение аминокислотам с меньшими боковыми цепями в положениях, приближающихся к месту расщепления.

После того, как белок достиг своего места назначения, сигнальный пептид обычно расщепляется сигнальной пептидазой . [1] Следовательно, большинство зрелых белков не содержат сигнальных пептидов. В то время как большинство сигнальных пептидов находятся на N-конце, в пероксисомах целевая последовательность расположена на C-концевом расширении. [8] В отличие от сигнальных пептидов, сигнальные участки состоят из аминокислотных остатков, которые прерывисты в первичной последовательности , но становятся функциональными, когда фолдинг объединяет их на поверхности белка. [9] В отличие от большинства сигнальных последовательностей, сигнальные участки не расщепляются после завершения сортировки. [10] В дополнение к внутренним сигнальным последовательностям, модификации белков, такие как гликозилирование, также могут вызывать нацеливание на определенные внутриклеточные или внеклеточные области.

Транслокация белков

Поскольку трансляция мРНК в белок рибосомой происходит в цитозоле , белки, предназначенные для секреции или определенной органеллы, должны быть транслоцированы. [11] Этот процесс может происходить во время трансляции, известный как котрансляционная транслокация, или после завершения трансляции, известный как посттрансляционная транслокация. [12]

Котрансляционная транслокация

Обобщенный обзор таргетинга белков, иллюстрирующий котрансляционную транслокацию в эндоплазматический ретикулум и посттрансляционную транслокацию в их указанные местоположения. Если таргетинг отсутствует, то синтезированный белок останется в цитозоле.

Большинство секреторных и мембраносвязанных белков котрансляционно транслоцируются. Белки, которые находятся в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), аппарате Гольджи или эндосомах, также используют котрансляционный путь транслокации. Этот процесс начинается во время синтеза белка на рибосоме, когда частица распознавания сигнала (SRP) распознает N-концевой сигнальный пептид зарождающегося белка. [13] Связывание SRP временно приостанавливает синтез, пока комплекс рибосома-белок переносится на рецептор SRP на ЭР у эукариот и плазматическую мембрану у прокариот . [14] Там зарождающийся белок вставляется в транслокон , связанный с мембраной белок, проводящий канал, состоящий из комплекса транслокации Sec61 у эукариот и гомологичного комплекса SecYEG у прокариот. [15] В секреторных белках и трансмембранных белках типа I сигнальная последовательность немедленно отщепляется от зарождающегося полипептида после того, как он был транслоцирован в мембрану ЭР (эукариоты) или плазматическую мембрану (прокариоты) сигнальной пептидазой . Сигнальная последовательность мембранных белков типа II и некоторых политопных мембранных белков не отщепляется и поэтому называется сигнальными якорными последовательностями. Внутри ЭР белок сначала покрывается белком- шапероном, чтобы защитить его от высокой концентрации других белков в ЭР, давая ему время для правильного сворачивания . [ необходима цитата ] После сворачивания белок модифицируется по мере необходимости (например, путем гликозилирования ), затем транспортируется в аппарат Гольджи для дальнейшей обработки и направляется к своим целевым органеллам или удерживается в ЭР различными механизмами удержания ЭР .

Аминокислотная цепь трансмембранных белков , которые часто являются трансмембранными рецепторами , проходит через мембрану один или несколько раз. Эти белки вставляются в мембрану путем транслокации, пока процесс не прерывается последовательностью остановки-переноса, также называемой мембранным якорем или последовательностью сигнального якоря. [16] Эти сложные мембранные белки в настоящее время характеризуются с использованием той же модели нацеливания, которая была разработана для секреторных белков. Однако многие сложные мультитрансмембранные белки содержат структурные аспекты, которые не соответствуют этой модели. Семь трансмембранных рецепторов, сопряженных с G-белком (которые представляют около 5% генов у людей), в основном не имеют аминоконцевой сигнальной последовательности. В отличие от секреторных белков, первый трансмембранный домен действует как первая сигнальная последовательность, которая нацеливает их на мембрану ЭР. Это также приводит к транслокации аминоконца белка в просвет мембраны ЭР. Эта транслокация, которая была продемонстрирована с помощью опсина в экспериментах in vitro, [17] [18] нарушает обычную схему «котрансляционной» транслокации, которая всегда была характерна для белков млекопитающих, нацеленных на ЭР. Значительная часть механики трансмембранной топологии и сворачивания еще не выяснена.

Посттрансляционная транслокация

Несмотря на то, что большинство секреторных белков котрансляционно транслоцируются, некоторые транслируются в цитозоле и позже транспортируются в ЭР/плазматическую мембрану с помощью посттрансляционной системы. У прокариот этот процесс требует определенных кофакторов, таких как SecA и SecB, и облегчается Sec62 и Sec63, двумя мембраносвязанными белками. [19] Комплекс Sec63, который встроен в мембрану ЭР, вызывает гидролиз АТФ, позволяя белкам-шаперонам связываться с открытой пептидной цепью и скользить полипептидом в просвет ЭР. Оказавшись в просвете, полипептидная цепь может быть правильно свернута. Этот процесс происходит только в развернутых белках, расположенных в цитозоле. [20]

Кроме того, белки, нацеленные на другие клеточные пункты назначения, такие как митохондрии , хлоропласты или пероксисомы , используют специализированные посттрансляционные пути. Белки, нацеленные на ядро, также транслоцируются посттрансляционно посредством добавления сигнала ядерной локализации (NLS) , который способствует прохождению через ядерную оболочку через ядерные поры . [21]

Сортировка белков

Митохондрии

Обзор основных путей импорта белков митохондриями.
Путь переноса белков, нацеленных на внутреннюю мембрану митохондрий.

В то время как некоторые белки в митохондриях происходят из митохондриальной ДНК внутри органеллы, большинство митохондриальных белков синтезируются как цитозольные предшественники, содержащие сигналы пептидов захвата . [22] [23] [24] [25] Развернутые белки, связанные цитозольным шапероном hsp70 , которые нацелены на митохондрии, могут быть локализованы в четырех различных областях в зависимости от их последовательностей. [2] [25] [26] Они могут быть нацелены на митохондриальный матрикс , внешнюю мембрану, межмембранное пространство или внутреннюю мембрану. Дефекты в любом из этих процессов связаны со здоровьем и болезнями. [27]

Митохондриальный матрикс

Белки, предназначенные для митохондриального матрикса, имеют специфические сигнальные последовательности в начале (N-конце), которые состоят из строки из 20-50 аминокислот. Эти последовательности предназначены для взаимодействия с рецепторами, которые направляют белки в их правильное место внутри митохондрий. Последовательности имеют уникальную структуру с кластерами любящих воду (гидрофильных) и избегающих воду (гидрофобных) аминокислот, что придает им двойную природу, известную как амфипатическая. Эти амфипатические последовательности обычно образуют спиральную форму (альфа-спираль) с заряженными аминокислотами на одной стороне и гидрофобными на противоположной стороне. Эта структурная особенность необходима для правильного функционирования последовательности при направлении белков в матрикс. Если происходят мутации, которые нарушают эту двойную природу, белок часто не достигает своего предполагаемого места назначения, хотя не все изменения в последовательности имеют такой эффект. Это указывает на важность амфипатического свойства для того, чтобы белок был правильно нацелен на митохондриальный матрикс. [28]

Путь предварительной последовательности во внутреннюю мембрану митохондрий (ВМ) и митохондриальный матрикс.

Белки, нацеленные на митохондриальный матрикс, сначала включают взаимодействия между последовательностью нацеливания матрицы, расположенной на N-конце, и комплексом рецептора импорта внешней мембраны TOM20/22. [2] [23] [29] В дополнение к стыковке внутренних последовательностей и цитозольных шаперонов с TOM70. [2] [23] [29] Где TOM является аббревиатурой для транслоказы внешней мембраны. Связывание последовательности нацеливания матрицы с рецептором импорта запускает передачу полипептида в общее ядро ​​импорта (GIP), известное как TOM40. [2] [23] [29] Затем общее ядро ​​импорта (TOM40) подает полипептидную цепь через межмембранное пространство в другой комплекс транслоказы TIM17/23/44, расположенный на внутренней митохондриальной мембране. [2] [24] [25] [30] Это сопровождается необходимым высвобождением цитозольных шаперонов , которые поддерживают развернутое состояние перед попаданием в митохондрии. Когда полипептид попадает в матрикс, сигнальная последовательность расщепляется процессирующей пептидазой , а оставшиеся последовательности связываются митохондриальными шаперонами, ожидая надлежащего сворачивания и активности. [25] [26] Выталкивание и вытягивание полипептида из цитозоля в межмембранное пространство, а затем в матрикс достигается электрохимическим градиентом , который устанавливается митохондрией во время окислительного фосфорилирования . [1] [24] [25] [26] При котором митохондрия, активная в метаболизме, генерирует отрицательный потенциал внутри матрикса и положительный потенциал в межмембранном пространстве. [25] [31] Именно этот отрицательный потенциал внутри матрикса направляет положительно заряженные области целевой последовательности в желаемое место.

Внутренняя мембрана митохондрий

Нацеливание митохондриальных белков на внутреннюю мембрану может осуществляться тремя различными путями в зависимости от их общих последовательностей, однако вход с внешней мембраны остается тем же самым с использованием комплекса рецептора импорта TOM20/22 и общего ядра импорта TOM40. [2] [24] Первый путь для белков, нацеленных на внутреннюю мембрану, следует тем же этапам, что и те, которые предназначены для матрицы, где он содержит последовательность нацеливания на матрицу, которая направляет полипептид к комплексу внутренней мембраны, содержащему ранее упомянутый комплекс транслоказы TIM17/23/44. [2] [24] [25] Однако разница заключается в том, что пептиды, которые предназначены для внутренней мембраны, а не для матрицы, содержат восходящую последовательность, называемую последовательностью остановки-передачи-якоря. [2] Эта последовательность остановки-передачи-якоря представляет собой гидрофобную область, которая встраивается в фосфолипидный бислой внутренней мембраны и предотвращает дальнейшую транслокацию в митохондрию. [24] [25] Второй путь для белков, нацеленных на внутреннюю мембрану, следует пути локализации матрицы в целом. Однако вместо последовательности стоп-трансфер-якорь он содержит другую последовательность, которая взаимодействует с белком внутренней мембраны, называемым Oxa-1, оказавшись внутри матрицы, который встроит его во внутреннюю мембрану. [2] [24] [25] Третий путь для митохондриальных белков, нацеленных на внутреннюю мембрану, следует тому же входу, что и другие, во внешнюю мембрану, однако этот путь использует комплекс транслоказы TIM22/54 с помощью комплекса TIM9/10 в межмембранном пространстве для закрепления входящего пептида в мембране. [2] [24] [25] Пептиды для этого последнего пути не содержат последовательности нацеливания матрицы, но вместо этого содержат несколько внутренних последовательностей нацеливания.

Митохондриальное межмембранное пространство

Если вместо этого белок-предшественник назначается в межмембранное пространство митохондрии, то это может произойти двумя путями в зависимости от распознаваемых последовательностей. Первый путь в межмембранное пространство следует тем же этапам для белка, нацеленного на внутреннюю мембрану. Однако после связывания с внутренней мембраной С -конец закрепленного белка расщепляется с помощью пептидазы, которая высвобождает препротеин в межмембранное пространство, чтобы он мог свернуться в свое активное состояние. [2] [25] Одним из самых ярких примеров белка, который следует этому пути, является цитохром b2 , который после расщепления будет взаимодействовать с кофактором гема и станет активным. [2] [32] Второй путь в межмембранном пространстве не использует никаких комплексов внутренней мембраны и, следовательно, не содержит сигнала нацеливания на матрицу. Вместо этого он входит через общее импортное ядро ​​TOM40 и далее модифицируется в межмембранном пространстве для достижения своей активной конформации. TIM9/10 является примером белка, который следует этому пути, чтобы оказаться в нужном месте и помочь в нацеливании на внутреннюю мембрану. [2] [25] [33]

Наружная мембрана митохондрий

Нацеливание на внешнюю мембрану просто включает взаимодействие белков-предшественников с комплексами транслоказы внешней мембраны, которые встраивают его в мембрану через последовательности внутреннего нацеливания, которые должны образовывать гидрофобные альфа-спирали или бета-бочонки , охватывающие фосфолипидный бислой. [2] [24] [25] Это может происходить двумя различными путями в зависимости от внутренних последовательностей препротеина. Если препротеин содержит внутренние гидрофобные области, способные образовывать альфа-спирали, то препротеин будет использовать комплекс импорта митохондрий (MIM) и переноситься латерально к мембране. [24] [25] Для препротеинов, содержащих гидрофобные внутренние последовательности, которые коррелируют с белками, образующими бета-бочонки, они будут импортироваться из вышеупомянутого комплекса внешней мембраны TOM20/22 в межмембранное пространство. В котором они будут взаимодействовать с межмембранным белковым комплексом TIM9/10, который переносит их в сортировочно-сборочный аппарат (SAM), присутствующий во внешней мембране, который латерально смещает целевой белок в виде бета-бочки. [24] [25]

Хлоропласты

Хлоропласты похожи на митохондрии тем, что содержат собственную ДНК для производства некоторых своих компонентов. Однако большинство их белков получены посредством посттрансляционной транслокации и возникают из ядерных генов. Белки могут быть нацелены на несколько участков хлоропласта в зависимости от их последовательностей, таких как внешняя оболочка, внутренняя оболочка, строма, тилакоидный просвет или тилакоидная мембрана. [2] Белки нацелены на тилакоиды с помощью механизмов, связанных с бактериальной транслокацией белков. [28] Белки, нацеленные на оболочку хлоропластов, обычно не имеют расщепляемой сортировочной последовательности и латерально смещаются через мембранные сортировочные комплексы. Общий импорт для большинства препротеинов требует транслокации из цитозоля через комплексы Toc и Tic, расположенные внутри оболочки хлоропласта. Где Toc — это аббревиатура для транслоказы внешней оболочки хлоропласта, а Tic — это транслоказа внутренней оболочки хлоропласта. Существует минимум три белка, которые составляют функцию комплекса Toc. Два из которых, называемые Toc159 и Toc34, отвечают за стыковку стромальных импортных последовательностей, и оба содержат активность ГТФазы . Третий, известный как Toc 75, является фактическим каналом транслокации, который подает распознанный препротеин Toc159/34 в хлоропласт. [34]

Строма

Нацеливание на строму требует, чтобы препротеин имел стромальную импортную последовательность, которая распознается комплексом Tic внутренней оболочки при транслокации из внешней оболочки комплексом Toc. Комплекс Tic состоит по крайней мере из пяти различных белков Tic, которые необходимы для формирования транслокационного канала через внутреннюю оболочку. [35] После доставки в строму стромальная импортная последовательность расщепляется с помощью сигнальной пептидазы. В настоящее время известно, что этот процесс доставки в строму управляется гидролизом АТФ через стромальные шапероны HSP , а не трансмембранным электрохимическим градиентом , который устанавливается в митохондриях для управления импортом белка. [34] Дальнейшая внутрихлоропластная сортировка зависит от дополнительных целевых последовательностей, таких как те, которые предназначены для тилакоидной мембраны или тилакоидного просвета .

Просвет тилакоида

Если белок должен быть направлен в просвет тилакоида, это может произойти через четыре различных известных пути, которые очень похожи на механизмы транспортировки бактериальных белков. Выбранный путь зависит от того, находится ли белок, доставленный в строму, в развернутом или связанном с металлом свернутом состоянии. Оба они все еще будут содержать последовательность нацеливания тилакоида, которая также расщепляется при входе в просвет. В то время как импорт белка в строму управляется АТФ, было показано, что путь для связанных с металлом белков в свернутом состоянии в просвет тилакоида управляется градиентом pH.

Пути белков, нацеленных на тилакоидную мембрану в хлоропластах.

Тилакоидная мембрана

Белки, связанные с мембраной тилакоида, будут следовать по четырем известным маршрутам, которые проиллюстрированы на соответствующем рисунке. Они могут следовать по котрансляционному пути вставки, который использует стромальные рибосомы и трансмембранный комплекс SecY/E, по пути, зависящему от SRP, по пути спонтанной вставки или по пути GET. Последние из трех являются посттрансляционными путями, происходящими из ядерных генов, и поэтому составляют большинство белков, нацеленных на тилакоидную мембрану. Согласно недавним обзорным статьям в журнале биохимии и молекулярной биологии, точные механизмы еще не полностью изучены.

И хлоропласты, и митохондрии

Многие белки необходимы как в митохондриях , так и в хлоропластах . [36] В целом, пептид с двойной направленностью имеет промежуточный характер по сравнению с двумя специфическими. Пептиды с двойной направленностью этих белков имеют высокое содержание основных и гидрофобных аминокислот , низкое содержание отрицательно заряженных аминокислот . Они имеют более низкое содержание аланина и более высокое содержание лейцина и фенилаланина. Белки с двойной направленностью имеют более гидрофобный пептид с двойной направленностью, чем митохондриальные и хлоропластные. Однако утомительно предсказывать, является ли пептид с двойной направленностью или нет, на основе его физико-химических характеристик.

Ядро

Ядро клетки окружено ядерной оболочкой, состоящей из двух слоев, внутренний слой обеспечивает структурную поддержку и крепление для хромосом и ядерной пластинки. [16] Внешний слой похож на мембрану эндоплазматического ретикулума (ЭР). Эта оболочка содержит ядерные поры, которые представляют собой сложные структуры, состоящие примерно из 30 различных белков. [16] Эти поры действуют как селективные ворота, которые контролируют поток молекул в ядро ​​и из него.

В то время как небольшие молекулы могут проходить через эти поры без проблем, более крупные молекулы, такие как РНК и белки, предназначенные для ядра, должны иметь особые сигналы, чтобы их пропустили. [20] Эти сигналы известны как сигналы ядерной локализации, обычно включающие короткие последовательности, богатые положительно заряженными аминокислотами, такими как лизин или аргинин. [16]

Белки, называемые ядерными рецепторами импорта, распознают эти сигналы и направляют большие молекулы через ядерные поры, взаимодействуя с неупорядоченными, сетчатыми белками, которые заполняют поры. [16] Процесс является динамическим, при этом рецептор перемещает молекулу через сетку, пока она не достигнет ядра. [20]

Оказавшись внутри, фермент ГТФаза, называемый Ran, который может существовать в двух различных формах (одна связана с GTP, а другая с GDP), облегчает высвобождение груза внутри ядра и возвращает рецептор обратно в цитозоль. [16] [20] Энергия для этого транспорта поступает от гидролиза GTP Ran. Аналогичным образом, ядерные экспортные рецепторы помогают перемещать белки и РНК из ядра, используя другой сигнал, а также используя преобразование энергии Ran. [16]

В целом, комплекс ядерных пор эффективно транспортирует макромолекулы с высокой скоростью, позволяя белкам перемещаться в свернутом состоянии, а рибосомальным компонентам — как целым частицам, что отличается от того, как белки транспортируются в большинство других органелл. [16]

Эндоплазматический ретикулум

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) играет ключевую роль в синтезе и распределении белков в эукариотических клетках. Это обширная сеть мембран, где белки обрабатываются и сортируются по различным направлениям, включая сам ЭР, клеточную поверхность и другие органеллы, такие как аппарат Гольджи, эндосомы и лизосомы. [16] В отличие от других белков, нацеленных на органеллы, те, которые направляются в ЭР, начинают переноситься через его мембрану, пока они еще производятся. [20] [16]

Синтез и сортировка белков

Существует два типа белков, которые перемещаются в ЭР: водорастворимые белки, которые полностью проникают в просвет ЭР, и трансмембранные белки, которые частично проникают в мембрану ЭР и встраиваются в нее. [20] Эти белки находят свой путь в ЭР с помощью сигнальной последовательности ЭР, короткого участка гидрофобных аминокислот. [16]

Белки, поступающие в ЭР, синтезируются рибосомами. В клетке есть два набора рибосом: те, которые связаны с ЭР (заставляя его выглядеть «шероховатым»), и те, которые свободно плавают в цитозоле. Оба набора идентичны, но различаются по белкам, которые они синтезируют в данный момент. [16] [20] Рибосомы, которые производят белки с сигнальной последовательностью ЭР, прикрепляются к мембране ЭР и начинают процесс транслокации. Этот процесс является энергетически эффективным, поскольку растущая белковая цепь сама проталкивается через мембрану ЭР по мере ее удлинения. [16]

Когда мРНК транслируется в белок, к ней могут прикрепляться несколько рибосом, создавая структуру, называемую полирибосомой. [16] Если мРНК кодирует белок с сигнальной последовательностью ЭР, полирибосома прикрепляется к мембране ЭР, и белок начинает поступать в ЭР, пока он еще синтезируется. [20] [16]

Направленный ввод растворимых белков

В процессе синтеза белка в эукариотических клетках растворимые белки, предназначенные для эндоплазматического ретикулума (ЭР) или для секреции из клетки, направляются в ЭР двухкомпонентной системой. Во-первых, частица распознавания сигнала (SRP) в цитозоле прикрепляется к сигнальной последовательности ЭР появляющегося белка и к самой рибосоме. [16] Во-вторых, рецептор SRP, расположенный в мембране ЭР, распознает и связывается с SRP. Это взаимодействие временно замедляет синтез белка до тех пор, пока комплекс SRP и ребер не свяжется с рецептором SRP на ЭР. [16] [20]

После того, как это связывание произошло, SRP высвобождается, и рибосома переносится в белковый транслокатор в мембране ER, позволяя синтезу белка продолжаться. [16] [20] Затем полипептидная цепь белка пропускается через канал в транслокаторе в просвет ER. Сигнальная последовательность белка, обычно в начале (N-конце) полипептидной цепи, играет двойную роль. Она не только направляет рибосому в ER, но и запускает открытие транслокатора. [16] Когда белок подается через транслокатор, сигнальная последовательность остается прикрепленной, позволяя остальной части белка перемещаться в виде петли. Затем сигнальная пептидаза внутри ER отрезает сигнальную последовательность, которая впоследствии отбрасывается в липидный бислой мембраны ER и расщепляется. [16] [20]

Наконец, как только последняя часть белка (С-конец) проходит через транслокатор, весь растворимый белок высвобождается в просвет ЭР, где он затем может сворачиваться и подвергаться дальнейшим модификациям или транспортироваться к месту назначения. [16] [20]

Механизмы трансмембранной интеграции белков

Трансмембранные белки, которые частично интегрированы в мембрану ЭР, а не высвобождаются в просвет ЭР, имеют сложный процесс сборки. [16] [20] Начальные стадии похожи на растворимые белки: сигнальная последовательность запускает вставку в мембрану ЭР. Однако этот процесс прерывается последовательностью остановки-переноса — цепочкой гидрофобных аминокислот, — которая заставляет транслокатор останавливаться и высвобождать белок латерально в мембрану. [16] [20] Это приводит к однопроходному трансмембранному белку с одним концом внутри просвета ЭР, а другим в цитозоле, и эта ориентация постоянна. [16]

Некоторые трансмембранные белки используют внутренний сигнал (старт-трансферную последовательность) вместо сигнала на N-конце, и в отличие от начальной сигнальной последовательности эта старт-трансферная последовательность не удаляется. [16] [20] Она начинает процесс переноса, который продолжается до тех пор, пока не встретится стоп-трансферная последовательность, после чего обе последовательности закрепляются в мембране в виде альфа-спиральных сегментов. [16]

В более сложных белках, которые охватывают мембрану несколько раз, дополнительные пары последовательностей старт- и стоп-переноса используются для вплетения белка в мембрану способом, похожим на швейную машинку. Каждая пара позволяет новому сегменту пересекать мембрану и добавляется к структуре белка, гарантируя, что он правильно встраивается с правильным расположением сегментов внутри и снаружи мембраны ЭР. [16]

Пероксисомы

Генерализованное нацеливание белка на пероксисомальный матрикс

Пероксисомы содержат один фосфолипидный бислой, который окружает пероксисомальную матрицу, содержащую широкий спектр белков и ферментов, которые участвуют в анаболизме и катаболизме. Пероксисомы — это специализированные клеточные органеллы, которые осуществляют специфические окислительные реакции с использованием молекулярного кислорода. Их основная функция — удаление атомов водорода из органических молекул, процесс, который приводит к образованию перекиси водорода ( H 2 O 2 ). [37] [20] Внутри пероксисом фермент, называемый каталазой, играет решающую роль. Он использует перекись водорода, полученную в предыдущей реакции, для окисления различных других веществ, включая фенолы , муравьиную кислоту , формальдегид и спирт. [37] [20] Это известно как «перекисная» реакция. [20]

Пероксисомы особенно важны в клетках печени и почек для детоксикации вредных веществ, которые попадают в кровоток. Например, они отвечают за окисление около 25% потребляемого нами этанола в ацетальдегид . [37] Кроме того, каталаза внутри пероксисом может расщеплять избыток перекиси водорода на воду и кислород и , таким образом, предотвращать потенциальный ущерб от накопления H2O2 . [37] [20] Поскольку он не содержит внутренней ДНК, как у митохондрий или хлоропластов, все пероксисомальные белки кодируются ядерными генами. [38] На сегодняшний день известно два типа сигналов нацеливания на пероксисомы (PTS):

  1. Сигнал нацеливания пероксисом 1 (PTS1) : C-концевой трипептид с консенсусной последовательностью (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). Наиболее распространенным PTS1 является серин - лизин - лейцин (SKL). [37] Первоначальное исследование, которое привело к открытию этого консенсуса, обнаружило, что когда люцифераза светлячка была экспрессирована в культивируемых клетках насекомых, она была нацелена на пероксисому. Тестируя различные мутации в гене, кодирующем экспрессированную люциферазу , затем была определена консенсусная последовательность. [39] Также было обнаружено, что при добавлении этой C-концевой последовательности SKL к цитозольному белку он становится нацеленным на транспорт в пероксисому. Большинство белков пероксисомального матрикса обладают этим сигналом типа PTS1.
  2. Сигнал нацеливания пероксисом 2 (PTS2) : нонапептид, расположенный вблизи N-конца с консенсусной последовательностью (R/K)-(L/V/I)-XXXXX-(H/Q)-(L/A/F) (где X может быть любой аминокислотой). [37]

Существуют также белки, которые не обладают ни одним из этих сигналов. Их транспорт может быть основан на так называемом механизме «piggy-back»: такие белки связываются с матричными белками, содержащими PTS1, и транслоцируются в пероксисомальный матрикс вместе с ними. [40]

В случае цитозольных белков, которые производятся с помощью С-концевой последовательности PTS1, их путь к пероксисомальной матрице зависит от связывания с другим цитозольным белком, называемым pex5 (пероксин 5). [41] После связывания pex5 взаимодействует с пероксисомальным мембранным белком pex14 , образуя комплекс. Когда белок pex5 со связанным грузом взаимодействует с мембранным белком pex14, комплекс вызывает высвобождение целевого белка в матрицу. После высвобождения груза в матрицу диссоциация pex5 от pex14 происходит посредством убиквитинирования мембранным комплексом, включающим pex2, pex12 и pex10, за которым следует АТФ-зависимое удаление с участием цитозольного белкового комплекса pex1 и pex6 . [42] Цикл для импорта, опосредованного pex5, в пероксисомальную матрицу восстанавливается после АТФ-зависимого удаления убиквитина и может свободно связываться с другим белком, содержащим последовательность PTS1. [41] Белки, содержащие целевую последовательность PTS2, опосредуются другим цитозольным белком, но считается, что их механизм аналогичен механизму белков, содержащих последовательность PTS1. [37]

Заболевания

Транспорт белков нарушается при следующих генетических заболеваниях:

У бактерий и архей

Как обсуждалось выше (см. транслокация белков), большинство прокариотических мембраносвязанных и секреторных белков направляются на плазматическую мембрану либо путем котрансляции, который использует бактериальный SRP, либо путем посттрансляции, который требует SecA и SecB. На плазматической мембране эти два пути доставляют белки к транслокону SecYEG для транслокации. Бактерии могут иметь одну плазматическую мембрану ( грамположительные бактерии ) или внутреннюю мембрану плюс внешнюю мембрану, разделенную периплазмой ( грамотрицательные бактерии ). Помимо плазматической мембраны, у большинства прокариот отсутствуют мембраносвязанные органеллы, как у эукариот, но они могут собирать белки на различных типах включений, таких как газовые пузырьки и гранулы хранения.

Грамотрицательные бактерии

У грамотрицательных бактерий белки могут быть включены в плазматическую мембрану, внешнюю мембрану, периплазму или секретироваться в окружающую среду. Системы секреции белков через внешнюю мембрану бактерий могут быть довольно сложными и играть ключевые роли в патогенезе. Эти системы можно описать как секрецию типа I, секрецию типа II и т. д.

Грамположительные бактерии

У большинства грамположительных бактерий определенные белки предназначены для экспорта через плазматическую мембрану и последующего ковалентного присоединения к клеточной стенке бактерий. Специализированный фермент, сортаза , расщепляет целевой белок в характерном сайте распознавания вблизи С-конца белка, таком как мотив LPXTG (где X может быть любой аминокислотой), затем переносит белок на клеточную стенку. Обнаружено несколько аналогичных систем, которые также имеют сигнатурный мотив на внецитоплазматической стороне, С-концевой трансмембранный домен и кластер основных остатков на цитозольной стороне на крайнем С-конце белка. Система PEP-CTERM/ экзосортазы , обнаруженная у многих грамотрицательных бактерий, по-видимому, связана с производством внеклеточного полимерного вещества . Система PGF-CTERM/археосортазы A у архей связана с производством S-слоя . Система GlyGly-CTERM/ромбосортазы, обнаруженная у Shewanella, Vibrio и нескольких других родов, по-видимому, участвует в высвобождении протеаз, нуклеаз и других ферментов.

Биоинформатические инструменты

Примечания

  1. ^ В этой статье рассматривается нацеливание белков у эукариот, если не указано иное.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdef Нельсон DL (январь 2017). Принципы биохимии Ленингера. Кокс, Майкл М., Ленингер, Альберт Л. (седьмое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-1-4641-2611-6. OCLC  986827885.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  2. ^ abcdefghijklmnopqrs Lodish, Berk, Kaiser, Krieger, Bretscher, Ploegh, Martin, Yaffe, Amon (2021). Молекулярная клеточная биология (9-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-319-20852-3.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ ab Blobel G, Dobberstein B (декабрь 1975 г.). «Перенос белков через мембраны. I. Наличие протеолитически обработанных и необработанных зарождающихся легких цепей иммуноглобулина на мембраносвязанных рибосомах мышиной миеломы». Журнал клеточной биологии . 67 (3): 835–51. doi :10.1083/jcb.67.3.835. PMC 2111658. PMID  811671 . 
  4. ^ ab Schmidt V, Willnow TE (февраль 2016 г.). «Сортировка белков пошла не так — рецепторы домена VPS10P при сердечно-сосудистых и метаболических заболеваниях». Атеросклероз . 245 : 194–9. doi : 10.1016/j.atherosclerosis.2015.11.027 . PMID  26724530.
  5. ^ Guo Y, Sirkis DW, Schekman R (2014-10-11). «Сортировка белков в транс-сети Гольджи». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 30 (1): 169–206. doi :10.1146/annurev-cellbio-100913-013012. PMID  25150009.
  6. ^ ab Лесли М (август 2005 г.). «Трудности перевода: гипотеза сигнала». Журнал клеточной биологии . 170 (3): 338. doi :10.1083/jcb1703fta1. PMC 2254867. PMID  16167405 . 
  7. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1999 года". NobelPrize.org . Получено 19 сентября 2020 г.
  8. ^ Wanders RJ (май 2004 г.). «Метаболическая и молекулярная основа пероксисомальных расстройств: обзор». Американский журнал медицинской генетики. Часть A. 126A ( 4): 355–75. doi :10.1002/ajmg.a.20661. PMID  15098234. S2CID  24025032.
  9. ^ Moreira IS, Fernandes PA, Ramos MJ (сентябрь 2007 г.). «Горячие точки — обзор аминокислотных остатков, определяющих интерфейс белок-белок». Proteins . 68 (4): 803–12. doi : 10.1002/prot.21396 . PMID  17546660. S2CID  18578313.
  10. ^ Suzanne R. Pfeffer ; James E. Rothman (1 января 1987 г.). «Биосинтетический транспорт белков и сортировка эндоплазматической сетью и аппаратом Гольджи». Annual Review of Biochemistry . 56 : 829–852. doi :10.1146/ANNUREV.BI.56.070187.004145. ISSN  0066-4154. PMID  3304148. Wikidata  Q39664981.
  11. ^ Sommer MS, Schleiff E (август 2014 г.). «Нацеливание и транспорт белков как необходимое следствие повышенной клеточной сложности». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 6 (8): a016055. doi :10.1101/cshperspect.a016055. PMC 4107987. PMID  25085907 . 
  12. ^ Walter P, Ibrahimi I, Blobel G (ноябрь 1981 г.). «Транслокация белков через эндоплазматический ретикулум. I. Сигнальный распознающий белок (SRP) связывается с собранными in vitro полисомами, синтезирующими секреторный белок». The Journal of Cell Biology . 91 (2 Pt 1): 545–50. doi :10.1083/jcb.91.2.545. PMC 2111968 . PMID  7309795. 
  13. ^ Voorhees RM, Hegde RS (август 2016 г.). «К структурному пониманию котрансляционной транслокации белков». Current Opinion in Cell Biology . 41 : 91–9. doi :10.1016/j.ceb.2016.04.009. PMID  27155805.
  14. ^ Nyathi Y, Wilkinson BM, Pool MR (ноябрь 2013 г.). «Котрансляционное нацеливание и транслокация белков в эндоплазматический ретикулум». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research . 1833 (11): 2392–402. doi : 10.1016/j.bbamcr.2013.02.021 . PMID  23481039.
  15. ^ Mandon EC, Trueman SF, Gilmore R (август 2009). «Транслокация белков через каналы Sec61 и SecYEG». Current Opinion in Cell Biology . 21 (4): 501–7. doi :10.1016/j.ceb.2009.04.010. PMC 2916700. PMID  19450960 . 
  16. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa Alberts (ноябрь 2018 г.). Essential cell biology (пятое изд.). Нью-Йорк. ISBN 978-0-393-67953-3. OCLC  1048014962.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  17. ^ Kanner EM, Friedlander M, Simon SM. (2003). «Котрансляционное нацеливание и транслокация аминоконца опсина через эндоплазматическую мембрану требуют ГТФ, но не АТФ». J. Biol. Chem. 278 (10): 7920–7926. doi :10.1074/jbc.M207462200. PMID  12486130.
  18. ^ Kanner EM, Klein IK. et al. (2002). «Аминоконец опсина транслоцируется «посттрансляционно» так же эффективно, как и котрансляционно». Biochemistry 41 (24): 7707–7715. doi :10.1021/bi0256882. PMID  12056902.
  19. ^ Рапопорт ТА (ноябрь 2007 г.). «Транслокация белков через эукариотический эндоплазматический ретикулум и бактериальные плазматические мембраны». Nature . 450 (7170): 663–9. Bibcode :2007Natur.450..663R. doi :10.1038/nature06384. PMID  18046402. S2CID  2497138.
  20. ^ abcdefghijklmnopqrs Lodish H, Berk A, Kaiser C, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Martin K (2008). Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. С. 591–592. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  21. ^ Lange A, Mills RE, Lange CJ, Stewart M, Devine SE, Corbett AH (февраль 2007 г.). «Классические сигналы ядерной локализации: определение, функция и взаимодействие с импортином альфа». Журнал биологической химии . 282 (8): 5101–5. doi : 10.1074/jbc.R600026200 . PMC 4502416. PMID  17170104 . 
  22. ^ Кокс М., Дудна Дж., О'Доннел М. (2015). Принципы и практика молекулярной биологии (2-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-319-15413-4.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  23. ^ abcd Araiso Y, Endo T (2022). "Структурный обзор транслоказы митохондриального наружно-мембранного комплекса". Biophys Physicobiol . 19 : e190022. doi :10.2142/biophysico.bppb-v19.0022. PMC 9260164. PMID 35859989  . 
  24. ^ abcdefghijk Иглсфилд Р., Токатлидис К. (2021). «Нацеливание и вставка мембранных белков в митохондрии». Frontiers in Cell and Developmental Biology . 9 : 803205. doi : 10.3389/fcell.2021.803205 . PMC 8740019. PMID  35004695 – через Frontiers. 
  25. ^ abcdefghijklmno Видеманн Н., Пфаннер Н. (2017). «Митохондриальные механизмы для импорта и сборки белков». Annual Review of Biochemistry . 86 : 685–714. doi : 10.1146/annurev-biochem-060815-014352 . PMID  28301740 – через Ann Rev Biochem Online.
  26. ^ abc Truscott K, Pfanner N, Voos W (2001). «Транспорт белков в митохондрии». Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology . 143 : 81–136. doi :10.1007/BFb0115593. ISBN 978-3-540-41474-2. PMID  11428265.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  27. ^ Kang Y, Fielden L, Stojanovski D (2018). «Транспорт митохондриальных белков в норме и патологии». Семинары по клеточной и эволюционной биологии . 76 : 142–153. doi :10.1016/j.semcdb.2017.07.028. PMID  28765093.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  28. ^ ab Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Kaiser, Chris A; Krieger, Monty; Bretscher, Anthony; Ploegh, Hidde; Amon, Angelika; Scott, Matthew P (2016). Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк, США: WH Freeman and Company. стр. 609–610. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  29. ^ abc Pfanner N, Geissler A (2001). «Универсальность механизма импорта митохондриальных белков». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 2 (5): 339–349. doi :10.1038/35073006. PMID  11331908. S2CID  21011113 – через Nature.
  30. ^ ab Bauer M, Hofmann S, Neupert W, Brunner M (2000). «Транслокация белков в митохондрии: роль комплексов TIM». Trends in Cell Biology . 10 (1): 25–31. doi :10.1016/S0962-8924(99)01684-0. PMID  10603473 – через Elsevier Science Direct.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  31. ^ Нельсон Д., Кокс М. (2017). Принципы биохимии (7-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-4641-2611-6.
  32. ^ Шварц Э., Сейтер Т., Гийард Б., Нойперт В. (1993). «Нацеливание цитохрома b2 в митохондриальное межмембранное пространство: специфическое распознавание сигнала сортировки». EMBO J. 12 – через PubMed.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  33. ^ Курц М., Мартин Х., Рассов Дж., Пфаннер Н., Райан М. (2017). «Биогенез белков тимуса пути импорта митохондриальных переносчиков: дифференциальные механизмы нацеливания и кроссинговер с основным путем импорта». Молекулярная биология клетки . 10 (7): 2461–2474. doi :10.1091/mbc.10.7.2461. PMC 25469. PMID 10397776  . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  34. ^ ab Soll J, Schleiff E (2004). «Импорт белков в хлоропласты». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 5 (3): 198–208. doi :10.1038/nrm1333. PMID  14991000. S2CID  32453554 – через Nature.
  35. ^ Gutensohn M, Fan E, Frielingsdorf S, Hanner P, Hou B, Hust B, Klosgen R (2005). "Toc, Tic, Tat et al.: структура и функция механизмов транспортировки белков в хлоропластах". Journal of Plant Physiology . 163 (3): 333–347. doi :10.1016/j.jplph.2005.11.009. PMID  16386331 – через PubMed.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  36. ^ Sharma M, Bennewitz B, Klösgen RB (декабрь 2018 г.). «Скорее правило, чем исключение? Как оценить значимость двойного нацеливания белков на митохондрии и хлоропласты». Photosynthesis Research . 138 (3): 335–343. Bibcode : 2018PhoRe.138..335S. doi : 10.1007/s11120-018-0543-7. PMID  29946965. S2CID  49427254.
  37. ^ abcdefgh Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Garland Science.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  38. ↑ Энциклопедия биологической химии. Lennarz, William J., Lane, M. Daniel (Второе издание). Лондон. 8 января 2013 г. ISBN 978-0-12-378631-9. OCLC  828743403.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка )
  39. ^ Келлер Г., Гулд С., Делюка М., Субрамани С. (1987). «Люцифераза светлячков направлена ​​на пероксисомы в клетках млекопитающих». Труды Национальной академии наук . 84 (10): 3264–3268. Bibcode : 1987PNAS...84.3264K. doi : 10.1073 /pnas.84.10.3264 . PMC 304849. PMID  3554235. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  40. ^ Saryi NA, Hutchinson JD, Al-Hejjaj MY, Sedelnikova S, Baker P, Hettema EH (февраль 2017 г.). "Pnc1 piggy-back import into peroxisomes relies on Gpd1 homodimerisation". Scientific Reports . 7 (1): 42579. Bibcode :2017NatSR...742579S. doi :10.1038/srep42579. PMC 5314374 . PMID  28209961. 
  41. ^ ab Baker A, Hogg T, Warriner S (2016). «Импорт пероксисомного белка: сложный путь». Biochemical Society Transactions . 44 (3): 783–789. doi :10.1042/BST20160036. PMC 4900764 . PMID  27284042. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  42. ^ Gould S, Collins C (2002). «Импорт пероксисомальных белков: действительно ли он настолько сложен?». Nature Rev. Mol. Cell Biol . 3 (5): 382–389. doi : 10.1038/nrm807 . PMID  11988772. S2CID  2522184.
  43. ^ MacLeod DA, Rhinn H, Kuwahara T, Zolin A, Di Paolo G, McCabe BD и др. (февраль 2013 г.). «RAB7L1 взаимодействует с LRRK2, изменяя внутринейрональную сортировку белков и риск болезни Паркинсона». Neuron . 77 (3): 425–39. doi :10.1016/j.neuron.2012.11.033. PMC 3646583 . PMID  23395371. 

Внешние ссылки