Нацеливание на белок - Protein targeting

Эта статья посвящена нацеливанию на белок у эукариот, если не указано иное.

Нацеливание на белки или сортировка белков - это биологический механизм, с помощью которого белки транспортируются в соответствующие места назначения внутри или за пределами клетки. Белки могут быть нацелены во внутреннее пространство органеллы , различные внутриклеточные мембраны , плазматическую мембрану или наружу клетки посредством секреции . Информация, содержащаяся в самом белке, направляет этот процесс доставки. Правильная сортировка имеет решающее значение для клетки; ошибки были связаны с множеством болезненных состояний.

История

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

В 1970 году Гюнтер Блобель провел эксперименты по перемещению белков через мембраны. Блобель, в то время доцент Университета Рокфеллера, опирался на работы своего коллеги Джорджа Палада. Паладе ранее 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 . Возможные объяснения в то время постулировали разницу в процессинге между свободными и связанными с ER рибосомами, но Блобель предположил, что нацеливание на белок 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, определяющий внутриклеточное или внеклеточное предназначение. Он описал эти короткие последовательности (обычно от 13 до 36 аминокислотных остатков) как сигнальные пептиды или сигнальные последовательности и был удостоен Нобелевской премии по физиологии в 1999 году за свои открытия.

Сигнальные пептиды

Сигнальные пептиды служат в качестве сигналов нацеливания, позволяя клеточному транспортному аппарату направлять белки в определенные внутриклеточные или внеклеточные местоположения. Хотя для сигнальных пептидов не было идентифицировано консенсусной последовательности , многие из них, тем не менее, обладают характерной трехчастной структурой:

Положительно заряженная гидрофильная область рядом с N-концом.
Диапазон от 10 до 15 гидрофобных аминокислот около середины сигнального пептида.
Слегка полярная область рядом с С-концом, обычно предпочтительна аминокислоты с меньшими боковыми цепями в положениях, приближающихся к сайту расщепления.

После того, как белок достиг своего назначения, сигнальный пептид обычно расщепляется сигнальной пептидазой . Следовательно, большинство зрелых белков не содержат сигнальных пептидов. Хотя большинство сигнальных пептидов находится на N-конце, в пероксисомах нацеливающая последовательность расположена на C-конце. В отличие от сигнальных пептидов, сигнальные участки состоят из аминокислотных остатков, которые прерываются в первичной последовательности, но становятся функциональными, когда сворачивание объединяет их на поверхности белка. В отличие от большинства сигнальных последовательностей, сигнальные участки не расщепляются после завершения сортировки. Помимо внутренних сигнальных последовательностей, модификации белков, такие как гликозилирование, также могут индуцировать нацеливание на определенные внутриклеточные или внеклеточные области.

Транслокация белков

Так как перевод из мРНКа в белка посредством рибосомы происходит в цитозоле , белки , предназначенные для секреции или конкретные органеллы должны быть транслоцируются. Этот процесс может происходить во время трансляции, известной как ко-трансляционная транслокация, или после завершения транслокации, известной как пост-трансляционная транслокация.

Ко-трансляционная транслокация

Большинство секреторных и мембраносвязанных белков транслоцируются совместно. Белки, которые находятся в эндоплазматическом ретикулуме (ER), Гольджи или эндосомах, также используют путь ко-трансляционной транслокации. Этот процесс начинается, когда белок синтезируется на рибосоме, когда частица распознавания сигнала (SRP) распознает N-концевой сигнальный пептид формирующегося белка. Связывание SRP временно приостанавливает синтез, в то время как комплекс рибосома-белок переносится на рецептор SRP на ER у эукариот и плазматической мембране у прокариот . Там зарождающийся белок вставляется в транслокон , мембранно-связанный белок, проводящий канал, состоящий из комплекса транслокации Sec61 у эукариот и гомологичного комплекса SecYEG у прокариот. В секреторных белках и трансмембранных белках типа I сигнальная последовательность немедленно отщепляется от возникающего полипептида, как только он был перемещен в мембрану ER (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. В ER, белок сначала покрыт белком шаперона , чтобы защитить его от высокой концентрации других белков в ЭР, давая это время , чтобы сложить правильно. После сворачивания белок модифицируется по мере необходимости (например, путем гликозилирования ), затем транспортируется к Гольджи для дальнейшей обработки и направляется к его органеллам-мишеням или сохраняется в ER с помощью различных механизмов удержания ER .

Аминокислотная цепь трансмембранных белков , которые часто являются трансмембранными рецепторами , проходит через мембрану один или несколько раз. Эти белки встраиваются в мембрану посредством транслокации, пока процесс не будет прерван стоп-переносящей последовательностью, также называемой мембранной якорем или сигнально-якорной последовательностью. Эти сложные мембранные белки в настоящее время охарактеризованы с использованием той же модели нацеливания, которая была разработана для секреторных белков. Однако многие сложные мульти-трансмембранные белки содержат структурные аспекты, которые не соответствуют этой модели. Семь трансмембранных рецепторов, сопряженных с G-белком (которые составляют около 5% генов человека), в большинстве случаев не имеют амино-концевой сигнальной последовательности. В отличие от секреторных белков, первый трансмембранный домен действует как первая сигнальная последовательность, которая направляет их на мембрану ER. Это также приводит к перемещению аминоконца белка в просвет мембраны ЭР. Эта транслокация, которая была продемонстрирована с опсином в экспериментах in vitro, нарушает обычный паттерн «ко-трансляционной» транслокации, который всегда сохранялся для белков млекопитающих, нацеленных на ER. Многое из механизмов трансмембранной топологии и фолдинга еще предстоит выяснить.

Посттрансляционная транслокация

Несмотря на то, что большинство секреторных белков транслоцируются совместно, некоторые транслируются в цитозоле, а затем транспортируются в ER / плазматическую мембрану посттрансляционной системой. У прокариот этот процесс требует определенных кофакторов , таких как SecA и SECB и способствует Sec62 и Sec63 , двух мембраносвязанных белков. Комплекс Sec63, который встроен в мембрану ER, вызывает гидролиз АТФ, позволяя белкам-шаперонам связываться с открытой пептидной цепью и перемещать полипептид в просвет ER. Попав в просвет, полипептидная цепь может правильно складываться. Этот процесс происходит только в развернутых белках, находящихся в цитозоле.

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

Сортировка белков

Митохондрии

Большинство митохондриальных белков синтезируются в виде цитозольных предшественников, содержащих пептидные сигналы захвата . Цитозольные шапероны доставляют препротеины к канально-связанным рецепторам митохондриальной мембраны . Препротеин с препоследовательностью мишенью для митохондрий связан рецепторами и общий импорт пора (GIP), известных под общим названием транслоказа наружной мембраны (ТОМ), в наружной мембране . Затем он перемещается через TOM в виде шпилек. Препротеин транспортируется через межмембранное пространство небольшими TIM (которые также действуют как молекулярные шапероны ) к TIM23 или TIM22 ( транслоказе внутренней мембраны ) на внутренней мембране . В матрице ориентации последовательность отщепляется от mtHsp70.

Известны три рецептора наружной мембраны митохондрий :

TOM70 : связывается с пептидами внутреннего нацеливания и действует как точка стыковки для цитозольных шаперонов.
TOM20 : связывает предварительные последовательности.
TOM22 : связывает как предпоследовательности, так и пептиды внутреннего нацеливания.

Канал TOM ( TOM40 ) представляет собой катион- специфический канал с высокой проводимостью с молекулярной массой 410 кДа и диаметром пор 21Å.

Транслоказа-23 (TIM23) локализована на внутренней мембране митохондрий и действует как порообразующий белок, который связывает белки-предшественники своим N-концом . TIM23 действует как транслокатор для препротеинов для митохондриального матрикса, внутренней митохондриальной мембраны, а также для межмембранного пространства. TIM50 связывается с TIM23 на внутренней стороне митохондрий и, как было обнаружено, связывает пре-последовательности. TIM44 связывается на стороне матрицы и обнаруживает связывание с mtHsp70.
Транслоказа-препоследовательность 22 (TIM22) связывает препротеины, связанные исключительно с внутренней митохондриальной мембраной.

Направляющие последовательности митохондриального матрикса богаты положительно заряженными аминокислотами и гидроксилированными.

Белки направляются в субмитохондриальные компартменты множеством сигналов и несколькими путями.

Нацеливание на внешнюю мембрану, межмембранное пространство и внутреннюю мембрану часто требует другой сигнальной последовательности в дополнение к последовательности нацеливания на матрицу.

Хлоропласты

Препротеин для хлоропластов может содержать последовательность импорта стромы или последовательность направленного действия на строму и тилакоид. Большинство препротеинов перемещается через комплексы Toc и Tic, расположенные внутри оболочки хлоропласта. В строме последовательность импорта стромы отщепляется и сворачивается, а также продолжается внутрихлоропластная сортировка по тилакоидам . Белки, нацеленные на оболочку хлоропластов, обычно не имеют расщепляемой сортировочной последовательности.

И хлоропласты, и митохондрии

Многие белки необходимы как митохондриям, так и хлоропластам . Обычно пептид с двойным нацеливанием имеет промежуточный характер по сравнению с двумя специфическими пептидами. Нацеливающие пептиды этих белков имеют высокое содержание основных и гидрофобных аминокислот , низкое содержание отрицательно заряженных аминокислот . В них меньше аланина и больше лейцина и фенилаланина. Белки с двойной мишенью имеют более гидрофобный целевой пептид, чем митохондриальные и хлоропластные. Однако сложно предсказать, является ли пептид двойной мишенью или нет, основываясь на его физико-химических характеристиках.

Пероксисомы

Все пероксисомальные белки кодируются ядерными генами. На сегодняшний день известно два типа сигналов таргетинга на пероксисомы (PTS):

Направляющий сигнал пероксисомы 1 (PTS1) : С-концевой трипептид с консенсусной последовательностью (S / A / C) - (K / R / H) - (L / A). Наиболее распространенным PTS1 является серин - лизин - лейцина (СКЛ). Большинство белков пероксисомального матрикса обладают сигналом типа PTS1.
Сигнал нацеливания пероксисомы 2 (PTS2) : нонапептид, расположенный рядом с N-концом с консенсусной последовательностью (R / K) - (L / V / I) -XXXXX- (H / Q) - (L / A / F) ( где X может быть любой аминокислотой).

Есть также белки, которые не обладают ни одним из этих сигналов. Их транспорт может быть основан на так называемом «обратном» механизме: такие белки связываются с белками матрикса, обладающими PTS1, и вместе с ними перемещаются в пероксисомальный матрикс.

Болезни

Транспорт белка нарушен при следующих генетических заболеваниях:

У бактерий и архей

Как обсуждалось выше (см. Транслокация белков ), большинство прокариотических мембраносвязанных и секреторных белков нацелены на плазматическую мембрану либо путем совместной трансляции, который использует бактериальный SRP, либо путем пост-трансляции, который требует SecA и SecB. На плазматической мембране эти два пути доставляют белки к транслокону SecYEG для транслокации. Бактерии могут иметь единственную плазматическую мембрану ( грамположительные бактерии ) или внутреннюю мембрану плюс внешнюю мембрану, разделенную периплазмой ( грамотрицательные бактерии ). Помимо плазматической мембраны, у большинства прокариот отсутствуют связанные с мембраной органеллы, как у эукариот, но они могут собирать белки на различных типах включений, таких как газовые везикулы и накопительные гранулы.

Грамотрицательные бактерии

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

Грамположительные бактерии

У большинства грамположительных бактерий определенные белки нацелены на экспорт через плазматическую мембрану и последующее ковалентное прикрепление к стенке бактериальной клетки. Специализированный фермент, сортаза , расщепляет целевой белок в характерном сайте узнавания рядом с С-концом белка, таком как мотив LPXTG (где X может быть любой аминокислотой), а затем переносит белок на клеточную стенку. Обнаружено несколько аналогичных систем, которые также имеют сигнатурный мотив на внецитоплазматической поверхности, С-концевой трансмембранный домен и кластер основных остатков на цитозольной поверхности на крайнем С-конце белка. Система PEP-CTERM / экзосортаза , обнаруженная у многих грамотрицательных бактерий, по-видимому, связана с производством внеклеточного полимерного вещества . Система PGF-CTERM / archaeosortase A у архей связана с продукцией S-слоя . Система GlyGly-CTERM / ромбосортаза, обнаруженная у Shewanella, Vibrio и некоторых других родов, по-видимому, участвует в высвобождении протеаз, нуклеаз и других ферментов.

Биоинформатические инструменты

Minimotif Miner - это инструмент биоинформатики, который выполняет поиск по запросам последовательности белка для известных мотивов последовательности, нацеленной на белок.
Phobius предсказывает сигнальные пептиды на основе предоставленной первичной последовательности.
SignalP предсказывает сайты расщепления сигнального пептида.
LOCtree предсказывает субклеточную локализацию белков.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Protein + Transport в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)

Languages

In other projects