Нацеливание на белок - Protein targeting

В этой статье рассматривается нацеливание на белок в эукариоты если не указано иное.

Нацеливание на белок или же сортировка белков это биологический механизм, с помощью которого белки доставляются в соответствующие пункты назначения в ячейке или за ее пределами. Белки могут быть нацелены на внутреннее пространство органелла, различные внутриклеточные мембраны, плазматическая мембрана, или к внешней стороне ячейки через секреция. Этот процесс доставки осуществляется на основе информации, содержащейся в самом белке. Правильная сортировка имеет решающее значение для клетки; ошибки могут привести к заболеваниям.

Сигналы прицеливания

Сигналы нацеливания - это фрагменты информации, которые позволяют клеточному транспортному механизму правильно позиционировать белок внутри или вне клетки. Эта информация содержится в полипептидная цепь или в свернутом протеине. Непрерывный участок аминокислота остатки в цепи, которые обеспечивают нацеливание, называются сигнальные пептиды или нацеленные пептиды. Существует два типа нацеливающих пептидов: преследовательности и внутренние нацеливающие пептиды. Предварительные последовательности нацеливающего пептида часто обнаруживаются на N-конце и состоят из 6-136 основных и гидрофобных аминокислот. В случае пероксисом нацеленная последовательность в основном находится на С-конце. Другие сигналы, известные как сигнальные патчи, состоят из частей, которые в первичная последовательность. Они становятся функциональными, когда складывание объединяет их на поверхности белка. Кроме того, модификации белков подобные гликозилирования могут вызывать нацеливание.

Транслокация белков

В 1970 г. Гюнтер Блобель провели эксперименты по перемещению белков через мембраны. Награжден орденом 1999 г. Нобелевская премия за его находки.^[1] Он обнаружил, что у многих белков есть сигнальная последовательность, то есть короткое аминокислота последовательность на одном конце, которая функционирует как Почтовый индекс для органеллы-мишени. В перевод из мРНК в белок рибосома происходит в цитозоль. Если синтезированные белки «принадлежат» другой органелле, они могут транспортироваться туда одним из двух способов в зависимости от белка: ко-транслокационная транслокация (транслокация в процессе транслокации) и посттрансляционная транслокация (транслокация после процесса транслокации). перевода завершен).

Ко-трансляционная транслокация

Большинство белков, которые являются секреторными, мембраносвязанными или находятся в эндоплазматический ретикулум (ER), гольджи или же эндосомы использовать путь ко-трансляционной транслокации. Этот процесс начинается с N-терминала сигнальный пептид белка, распознаваемого частица распознавания сигнала (SRP) пока белок все еще синтезируется на рибосоме. Синтез приостанавливается, пока рибосомно-белковый комплекс переносится на Рецептор SRP на ER в эукариоты, а плазматическая мембрана в прокариоты. Там зарождающийся белок вставляется в транслокон, проводящий канал мембраносвязанного белка, состоящий из Комплекс транслокации Sec61 у эукариот, а гомологичные SecYEG комплекс у прокариот. В секреторных белках и типе I трансмембранные белки, сигнальная последовательность немедленно отщепляется от растущего полипептида, как только он был перемещен в мембрану ER (эукариоты) или плазматическую мембрану (прокариоты) посредством сигнальная пептидаза. Сигнальная последовательность мембранных белков типа II и некоторых политопных мембранных белков не отщепляется и поэтому называется сигнальными якорными последовательностями. Внутри ER белок сначала покрывается шаперонный белок чтобы защитить его от высокой концентрации других белков в ER, давая ему время складывать правильно. После сворачивания белок при необходимости модифицируется (например, с помощью гликозилирование ), затем транспортируется к Гольджи для дальнейшей обработки и направляется к органеллам-мишеням или удерживается в ЭР различными Удержание ER механизмы.

Аминокислотная цепь трансмембранные белки, которые часто трансмембранные рецепторы, проходит через мембрану один или несколько раз. Они вставляются в мембрану посредством транслокации, пока процесс не будет прерван последовательностью остановки-переноса, также называемой мембранным якорем или сигнально-якорной последовательностью. Эти сложные мембранные белки в настоящее время в основном изучены с использованием той же модели нацеливания, которая была разработана для секреторных белков. Однако многие сложные мульти-трансмембранные белки содержат структурные аспекты, которые не соответствуют модели. Семь трансмембранных рецепторов, связанных с G-белком (которые составляют около 5% генов у 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 ER. Это, по-видимому, нарушает правило «ко-трансляционной» транслокации, которое всегда соблюдалось для белков млекопитающих, нацеленных на ER. Это было продемонстрировано с помощью опсин с экспериментами in vitro.^[2]^[3] Многое из механизмов трансмембранной топологии и фолдинга еще предстоит выяснить.

Посттрансляционная транслокация

Несмотря на то, что большинство секреторных белков транслоцируются совместно, некоторые из них транслируются в цитозоль и позже транспортируется в ER / плазматическую мембрану посттрансляционной системой. У прокариот для этого требуются определенные кофакторы, такие как SecA и SecB. Этому пути способствует Sec62 и Sec63, два мембраносвязанных белка. Комплекс Sec63 встроен в мембрану ER. Комплекс Sec63 вызывает гидролиз АТФ, что позволяет белкам-шаперонам связываться с открытой пептидной цепью и перемещать полипептид в просвет ER. Попадая в просвет, полипептидная цепь может правильно складываться. Это происходит только в развернутых белках, находящихся в цитозоле.^[4]

Кроме того, белки, предназначенные для других целей, например митохондрии, хлоропласты, или же пероксисомы используйте специализированные посттрансляционные пути. Кроме того, белки, нацеленные на ядро, перемещаются после трансляции. Они проходят через ядерная оболочка через ядерные поры.

Сортировка белков

Митохондрии

Наиболее митохондриальный белки синтезируются как цитозольный прекурсоры, содержащие захват пептидные сигналы. Цитозольный шапероны доставлять препротеины направить связанные рецепторы в митохондриальная мембрана. В препротеин с предварительной последовательностью, предназначенной для митохондрии связан рецепторы и общая импортная пора (GIP) (рецепторы и GIP вместе известны как транслоказа внешней мембраны или TOM) в внешняя мембрана. Препротеин перемещается через TOM в виде шпилечных петель. Препротеин транспортируется через межмембранное пространство небольшими TIM (которые также действуют как молекулярные шапероны ) к TIM23 или 22 (транслоказа внутренней мембраны) на внутренняя мембрана. В рамках матрица то последовательность нацеливания отщепляется mtHsp70.

Три митохондриальный внешняя мембрана рецепторы известны:

TOM70: Связывается с пептидами внутреннего нацеливания и действует как точка стыковки цитозольных шаперонов.
TOM20: Связывает предследовательности
TOM22: Связывает как предпоследовательности, так и пептиды внутреннего нацеливания

Канал ТОМ (TOM40 ) это катион специфический канал высокой проводимости с молекулярный вес из 410 кДа и поры диаметр 21Å.

Транслоказа-23 (TIM23) локализована в митохондриальная внутренняя мембрана и действует как порообразующий белок, который связывает белки-предшественники с его N-конец. TIM23 действует как транслокатор для препротеинов для митохондриального матрикса, внутренней митохондриальной мембраны, а также для межмембранного пространства. TIM50 связан с TIM23 на внутренней стороне митохондрий и, как было обнаружено, связывает пре-последовательности. TIM44 связан на стороне матрицы и обнаружен связывающимся с mtHsp70.
Транслоказа-препоследовательность 22 (TIM22) связывает препротеины, связанные исключительно с внутренней митохондриальной мембраной.

Митохондриальный матрикс Нацеливающие последовательности богаты положительно заряженными аминокислотами и гидроксилированными.

Белки нацелены на субмитохондриальные компартменты множеством сигналов и несколькими путями.

Нацелившись на внешнюю мембрану, межмембранное пространство, а внутренняя мембрана часто требует другой сигнальной последовательности в дополнение к последовательности нацеливания на матрикс.

Хлоропласты

Препротеин для хлоропласты 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 складывается, а также происходит внутрихлоропластная сортировка для тилакоиды продолжается. Белки, нацеленные на оболочку хлоропластов, обычно не имеют расщепляемой сортировочной последовательности.

И хлоропласты, и митохондрии

Многие белки необходимы в обоих митохондрии и хлоропласты.^[5] Обычно пептид с двойным нацеливанием имеет промежуточный характер по сравнению с двумя специфическими пептидами. Направляющие пептиды этих белки имеют высокое содержание основных и гидрофобный аминокислоты, низкое содержание отрицательно заряженных аминокислоты. В них меньше аланина и больше лейцина и фенилаланина. Белки с двойной мишенью имеют более гидрофобный целевой пептид, чем митохондриальные и хлоропластные. Однако утомительно предсказать, является ли пептид двойной мишенью или нет, на основе его физико-химический характеристики.

Пероксисомы

Все пероксисомальный белки кодируются ядерными генами.

На сегодняшний день известно два типа Сигналы нацеливания на пероксисомы (PTS):

Сигнал нацеливания пероксисомы 1 (PTS1): С-концевой трипептид с консенсусной последовательностью (S / A / C) - (K / R / H) - (L / A). Самый распространенный PTS1 - это серин -лизин -лейцин (SKL). Большинство белков пероксисомального матрикса обладают сигналом типа PTS1.

Сигнал нацеливания на 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 пероксисомального 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, в котором используется бактериальный SRP, либо путем посттрансляционного пути, 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 внутренняя мембрана плюс внешняя мембрана, разделенная периплазма (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, сортировка, расщепляет целевой белок в характерном сайте узнавания рядом с С-концом 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 поверхности, С-концевой трансмембранный домен и кластер основных остатков на цитозольной поверхности на крайнем С-конце белка. PEP-CTERM /экзосортаза система, обнаруженная у многих грамотрицательных бактерий, по-видимому, связана с внеклеточное полимерное вещество производство. Система PGF-CTERM / археосортаза А в археи относится к S-слой производство. Система GlyGly-CTERM / ромбосортаза, обнаруженная у Shewanella, Vibrio и некоторых других родов, по-видимому, участвует в высвобождении протеаз, нуклеаз и других ферментов.

Выявление мотивов нацеливания на белок в белках

Minimotif Майнер представляет собой инструмент биоинформатики, который выполняет поиск по запросам последовательности белка для известных мотивов последовательности, нацеленной на белок.

Смотрите также

внешняя ссылка

Белок + Транспорт в Национальной медицинской библиотеке США Рубрики медицинской тематики (MeSH)

[1] «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1999 г.». NobelPrize.org. Получено 2020-09-19.

[2] Каннер Э.М., Фридлендер М, Саймон С.М. (2003). «Ко-трансляционное нацеливание и транслокация аминоконца опсина через эндоплазматическую мембрану требует GTP, но не ATP». J. Biol. Chem. 278 (10): 7920–7926. Дои:10.1074 / jbc.M207462200. PMID 12486130.

[3] Каннер Э.М., Кляйн И.К. и другие. (2002). «Аминоконец опсина перемещается« посттрансляционно »так же эффективно, как и котрансляционно». Биохимия 41 (24): 7707–7715. Дои:10.1021 / bi0256882. PMID 12056902.

[4] Лодиш, Харви; Берк, Арнольд; Кайзер, Крис; Кригер, Монти; Бретчер, Энтони; Плоег, Хидде; Амон, Анжелика; Мартин, Келси (2008). Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен и компания. С. 591–592. ISBN 978-1-4641-8339-3.

[5] Шарма, Маянк; Бенневиц, Батиона; Клёсген, Ральф Бернд (декабрь 2018 г.). «Скорее правило, чем исключение? Как оценить актуальность двойного нацеливания белков на митохондрии и хлоропласты». Фотосинтез Исследования. 138 (3): 335–343. Дои:10.1007 / s11120-018-0543-7. ISSN 0166-8595.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]