Proteininriktning - Protein targeting

Denna artikel behandlar proteininriktning i eukaryoter utom när det anges.

Proteininriktning eller proteinsortering är den biologiska mekanismen genom vilken proteiner transporteras till sina lämpliga destinationer inom eller utanför cellen. Proteiner kan riktas mot det inre utrymmet i en organell , olika intracellulära membran , plasmamembranet eller till utsidan av cellen via utsöndring . Informationen i själva proteinet styr denna leveransprocess. Korrekt sortering är avgörande för cellen; fel har kopplats till flera sjukdomstillstånd.

Historia

Günter Blobel, delade ut Nobelpriset i fysiologi 1999 för sin upptäckt att proteiner innehåller inneboende signalsekvenser.

År 1970 genomförde Günter Blobel experiment med translokation av proteiner över membran. Blobel, då en biträdande professor vid Rockefeller University, byggde på arbetet från sin kollega George Palade. Palade hade tidigare visat att icke-utsöndrade proteiner translaterades av fria ribosomer i cytosolen, medan utsöndrade proteiner (och målproteiner i allmänhet) översattes av ribosomer bundna till det endoplasmatiska retikulumet . Kandidatförklaringar vid den tiden postulerade en bearbetningsskillnad mellan fria och ER-bundna ribosomer, men Blobel antog att proteininriktning förlitades på egenskaper som är inneboende i proteinerna, snarare än en skillnad i ribosomer. Som stöd för sin hypotes upptäckte Blobel att många proteiner har en kort aminosyrasekvens i ena änden som fungerar som ett postnummer som anger en intracellulär eller extracellulär destination. Han beskrev dessa korta sekvenser (i allmänhet 13 till 36 aminosyrarester) som signalpeptider eller signalsekvenser och tilldelades 1999 Nobelpriset i fysiologi för sina resultat.

Signalpeptider

Huvudartikel: Signalpeptid

Signalpeptider fungerar som inriktningssignaler, vilket gör att cellulära transportmaskiner kan styra proteiner till specifika intracellulära eller extracellulära platser. Även om ingen konsensussekvens har identifierats för signalpeptider, har många ändå en karakteristisk trepartsstruktur:

  1. En positivt laddad, hydrofil region nära N-terminalen.
  2. Ett spann på 10 till 15 hydrofoba aminosyror nära mitten av signalpeptiden.
  3. Ett något polärt område nära C-terminalen, som typiskt gynnar aminosyror med mindre sidokedjor vid positioner som närmar sig klyvningsstället.

Efter att ett protein har nått sin destination klyvs i allmänhet signalpeptiden av ett signalpeptidas . Följaktligen innehåller de flesta mogna proteiner inte signalpeptider. Medan de flesta signalpeptiderna finns vid N-terminalen, i peroxisomer är målsekvensen lokaliserad på den C-terminala förlängningen. Till skillnad från signalpeptider, signal plåster består av aminosyrarester som är diskontinuerliga i primärsekvensen men blir funktionell när vikning sammanför dem på proteinytan. Till skillnad från de flesta signalsekvenser klyvs inte signalplåster efter att sorteringen är klar. Förutom inneboende signalsekvenser kan proteinmodifieringar som glykosyleringar också inducera inriktning på specifika intracellulära eller extra cellulära regioner.

Proteintranslokation

Ytterligare information: translocon

Eftersom translationen av mRNA till protein av en ribosom sker inom cytosolen måste proteiner avsedda för utsöndring eller en specifik organell translokeras. Denna process kan inträffa under översättning, känd som co-translationell translokation, eller efter att översättningen är klar, känd som post-translationell translokation.

Co-translationell translokation

De flesta sekretoriska och membranbundna proteiner transloceras co-translationellt. Proteiner som finns i endoplasmatisk retikulum (ER), golgi eller endosomer använder också co-translationell translokationsväg. Denna process börjar medan proteinet syntetiseras på ribosomen, när en signaligenkänningspartikel (SRP) känner igen en N-terminal signalpeptid hos det begynnande proteinet. Bindning av SRP pausar temporärt syntesen medan ribosom-proteinkomplexet överförs till en SRP-receptor på ER i eukaryoter och plasmamembranet i prokaryoter . Där sätts det begynnande proteinet in i translokonen , en membranbunden proteinledande kanal som består av Sec61-translokationskomplexet i eukaryoter och det homologa SecYEG- komplexet i prokaryoter. I sekretoriska proteiner och transmembranproteiner av typ I klyvs signalsekvensen omedelbart från den begynnande polypeptiden när den väl har translocerats till membranet i ER (eukaryoter) eller plasmamembran (prokaryoter) med signalpeptidas . Signalsekvensen för membranproteiner av typ II och några polytopiska membranproteiner klyvs inte av och kallas därför signalankersekvenser. Inom ER täcks proteinet först av ett chaperonprotein för att skydda det från den höga koncentrationen av andra proteiner i ER, vilket ger det tid att vika korrekt. När det väl är veckat, modifieras proteinet efter behov (till exempel genom glykosylering ), transporteras sedan till Golgi för vidare bearbetning och går till dess målorganeller eller behålls i ER genom olika ER -kvarhållningsmekanismer .

Aminosyrakedjan hos transmembranproteiner , som ofta är transmembranreceptorer , passerar genom ett membran en eller flera gånger. Dessa proteiner sätts in i membranet genom translokation, tills processen avbryts av en stoppöverföringssekvens, även kallad membranankare eller signalankarsekvens. Dessa komplexa membranproteiner kännetecknas för närvarande med samma målmodell som har utvecklats för sekretoriska proteiner. Många komplexa multi-transmembranproteiner innehåller emellertid strukturella aspekter som inte passar denna modell. Sju transmembrana G-proteinkopplade receptorer (som representerar cirka 5% av generna hos människor) har för det mesta ingen aminoterminal signalsekvens. Till skillnad från sekretoriska proteiner fungerar den första transmembrandomänen som den första signalsekvensen, som riktar dem till ER -membranet. Detta resulterar också i translokation av proteinets aminoterminal till ER -membranlumen. Denna translokation, som har demonstrerats med opsin med in vitro-experiment, bryter det vanliga mönstret för "co-translationell" translokation som alltid har hållits för däggdjursproteiner riktade till ER. En hel del av mekaniken för transmembrantopologi och vikning återstår att belysa.

Post-translationell translokation

Även om de flesta sekretoriska proteiner transloceras co-translationellt, translateras vissa i cytosolen och transporteras senare till ER/plasmamembranet av ett posttranslationellt system. I prokaryoter kräver denna process vissa kofaktorer som SecA och SecB och underlättas av Sec62 och Sec63 , två membranbundna proteiner. Sec63 -komplexet, som är inbäddat i ER -membranet, orsakar hydrolys av ATP, vilket gör att chaperonproteiner kan binda till en exponerad peptidkedja och skjuta polypeptiden in i ER -lumen. Väl i lumen kan polypeptidkedjan vikas ordentligt. Denna process sker endast i ovikta proteiner som finns i cytosolen.

Dessutom använder proteiner riktade till andra cellulära destinationer, såsom mitokondrier , kloroplaster eller peroxisomer , specialiserade posttranslationsvägar. Proteiner som är inriktade på kärnan translokeras också posttranslationellt genom tillägg av en kärnlokaliseringssignal (NLS) som främjar passage genom kärnhöljet via kärnporer .

Sortering av proteiner

Mitokondrier

Huvudartikel: TIM/TOM -komplex

De flesta mitokondriella proteiner syntetiseras som cytosoliska prekursorer som innehåller upptaget peptidsignaler . Cytosoliska chaperoner levererar preproteiner till kanallänkade receptorer i mitokondriemembranet . Den preprotein med presekvens målinriktad för mitokondrier är bunden av receptorer och den allmänna import por (GIP), som gemensamt kallas translokas av det yttre membranet (TOM), vid yttre membranet . Det transloceras sedan genom TOM som hårnålsslingor. Preproteinet transporteras genom intermembranutrymmet med små TIM (som också fungerar som molekylära chaperoner ) till TIM23 eller TIM22 ( translokat av det inre membranet ) vid det inre membranet . Inuti matrisen den målsökande sekvensen klyvs av genom mtHsp70.

Tre mitokondriella yttermembranreceptorer är kända:

  1. TOM70 : Binder sig till interna målinriktade peptider och fungerar som dockningspunkt för cytosoliska chaperoner.
  2. TOM20 : Binder prekvenser.
  3. TOM22 : Binder både prekvenser och interna målsökande peptider.

TOM kanalen ( TOM40 ) är en katjon specifik hög konduktans kanal med en molekylvikt av 410 kDa och en por diametern av 21a.

Presequence translocase23 (TIM23) är lokaliserat till det mitokondriella inre membranet och fungerar som ett porbildande protein som binder prekursorproteiner med dess N-terminal . TIM23 fungerar som en translokator för preproteiner för mitokondriell matris, det inre mitokondriella membranet samt för intermembranutrymmet. TIM50 är bunden till TIM23 på den inre mitokondriella sidan och befanns binda prekvenser. TIM44 är bunden på matrissidan och fann bindning till mtHsp70.
Presequence translocase22 (TIM22) binder preproteiner uteslutande bundna till det inre mitokondriella membranet.

Mitokondriella matrismålsekvenser är rika på positivt laddade aminosyror och hydroxylerade.

Proteiner är inriktade på submitokondriella fack med flera signaler och flera vägar.

Inriktning mot det yttre membranet, intermembranutrymmet och det inre membranet kräver ofta en annan signalsekvens utöver matrismålsekvensen.

Kloroplaster

Preproteinet för kloroplaster kan innehålla en stromal importsekvens eller en stromal och tylakoid målsekvens. Majoriteten av preproteinerna translokeras genom Toc- och Tic -komplexen belägna i kloroplasthöljet. I stroma klyvs stromalimportsekvensen och viks samt intrakloroplastsortering till tylakoider fortsätter. Proteiner riktade mot höljet av kloroplaster saknar vanligtvis klyvbar sorteringssekvens.

Både kloroplaster och mitokondrier

Många proteiner behövs i både mitokondrier och kloroplaster . I allmänhet är den dubbelriktade peptiden av mellanliggande karaktär för de två specifika. De riktade peptiderna för dessa proteiner har ett högt innehåll av basiska och hydrofoba aminosyror , ett lågt innehåll av negativt laddade aminosyror . De har ett lägre innehåll av alanin och ett högre innehåll av leucin och fenylalanin. De dubbla riktade proteinerna har en mer hydrofob riktad peptid än både mitokondriella och kloroplastiska. Det är dock tråkigt att förutsäga om en peptid är dubbelriktad eller inte baserad på dess fysikalisk-kemiska egenskaper.

Peroxisomer

Alla peroxisomala proteiner kodas av nukleära gener. Hittills finns det två typer av kända Peroxisome Targeting Signals (PTS):

  1. Peroxisom-målsignal 1 (PTS1) : en C-terminal tripeptid med en konsensussekvens (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). Den vanligaste PTS1 är serin - lysin - leucin (SKL). De flesta peroxisomala matrisproteiner har en signal av PTS1 -typ.
  2. Peroxisom-målsignal 2 (PTS2) : en nonapeptid belägen nära N-terminalen med en konsensussekvens (R/K)-(L/V/I) -XXXXX- (H/Q)-(L/A/F) ( där X kan vara vilken aminosyra som helst).

Det finns också proteiner som inte har någon av dessa signaler. Deras transport kan vara baserad på en så kallad "piggy-back" -mekanism: sådana proteiner associerar med PTS1-innehavande matrisproteiner och translokeras till peroxisomal matris tillsammans med dem.

Sjukdomar

Proteintransport är defekt vid följande genetiska sjukdomar:

I bakterier och archaea

Som diskuterats ovan (se proteintranslokation ) är de flesta prokaryota membranbundna och sekretoriska proteinerna riktade mot plasmamembranet antingen genom en co-translation-väg som använder bakteriell SRP eller en post-translation-väg som kräver SecA och SecB. Vid plasmamembranet levererar dessa två vägar proteiner till SecYEG -translokonet för translokation. Bakterier kan ha ett enda plasmamembran ( grampositiva bakterier ) eller ett inre membran plus ett yttre membran åtskilt av periplasman ( gramnegativa bakterier ). Förutom plasmamembranet saknar majoriteten av prokaryoter membranbundna organeller som finns i eukaryoter, men de kan montera proteiner på olika typer av inneslutningar såsom gasblåsor och lagringskorn.

Gramnegativa bakterier

Huvudartikel: Gram-negativ bakteriesekretion

I gramnegativa bakterier kan proteiner införlivas i plasmamembranet, det yttre membranet, periplasman eller utsöndras i miljön. System för utsöndring av proteiner över det bakteriella yttre membranet kan vara ganska komplexa och spela nyckelroller vid patogenes. Dessa system kan beskrivas som typ I -utsöndring, typ II -utsöndring, etc.

Grampositiva bakterier

Huvudartikel: Grampositiv bakteriesekretion

I de flesta grampositiva bakterier är vissa proteiner inriktade på export över plasmamembranet och efterföljande kovalent vidhäftning till bakteriecellväggen. Ett specialiserat enzym, sortas , klyver målproteinet vid ett karakteristiskt igenkänningsställe nära protein C-terminalen, såsom ett LPXTG-motiv (där X kan vara vilken aminosyra som helst), och överför sedan proteinet till cellväggen. Flera analoga system har hittats som på samma sätt har ett signaturmotiv på den extracytoplasmatiska ytan, en C-terminal transmembrandomän och en grupp basiska rester på det cytosoliska ytan vid proteinets extrema C-terminal. PEP-CTERM/ exosortas- systemet, som finns i många gramnegativa bakterier, verkar vara relaterat till extracellulär polymersubstansproduktion . PGF-CTERM/archaeosortase A-systemet i archaea är relaterat till S-lagerproduktion . GlyGly-CTERM/rhombosortas-systemet, som finns i Shewanella, Vibrio och några andra släkten, verkar vara involverat i frisättningen av proteaser, nukleaser och andra enzymer.

Bioinformatiska verktyg

  • Minimotif Miner är ett bioinformatikverktyg som söker proteinsekvensfrågor efter ett känt proteinmålsekvensmotiv.
  • Phobius förutsäger signalpeptider baserade på en levererad primär sekvens.
  • SignalP förutsäger klyvningsplatser för signalpeptider.
  • LOCtree förutsäger subcellulär lokalisering av proteiner.

Se även

Referenser

externa länkar