Proteinmålretting - Protein targeting

Denne artikkelen omhandler proteinmålretting i eukaryoter unntatt der det er nevnt.

Proteinmålretting eller proteinsortering er den biologiske mekanismen som proteiner transporteres til sine passende destinasjoner i eller utenfor cellen. Proteiner kan målrettes mot det indre rommet til en organell , forskjellige intracellulære membraner , plasmamembranen eller til utsiden av cellen via sekresjon . Informasjonen i selve proteinet styrer denne leveringsprosessen. Riktig sortering er avgjørende for cellen; feil har vært knyttet til flere sykdomstilstander.

Historie

Günter Blobel, tildelte Nobelprisen i fysiologi 1999 for sin oppdagelse av at proteiner inneholder iboende signalsekvenser.

I 1970 gjennomførte Günter Blobel eksperimenter på translokasjon av proteiner over membraner. Blobel, den gang assisterende professor ved Rockefeller University, bygde på arbeidet til sin kollega George Palade. Palade hadde tidligere vist at ikke-utskilte proteiner ble translatert av frie ribosomer i cytosolen, mens utskillede proteiner (og målproteiner generelt) ble translatert av ribosomer bundet til det endoplasmatiske retikulum . Kandidatforklaringer på den tiden postulerte en behandlingsforskjell mellom frie og ER-bundne ribosomer, men Blobel antok at proteinmålretting var avhengig av egenskaper som er iboende for proteinene, snarere enn en forskjell i ribosomer. Som støtte for hans hypotese oppdaget Blobel at mange proteiner har en kort aminosyresekvens i den ene enden som fungerer som et postnummer som angir en intracellulær eller ekstracellulær destinasjon. Han beskrev disse korte sekvensene (vanligvis 13 til 36 aminosyrerester) som signalpeptider eller signalsekvenser og ble tildelt Nobelprisen i fysiologi i 1999 for sine funn.

Signalpeptider

Hovedartikkel: Signalpeptid

Signalpeptider fungerer som målrettingssignaler, slik at mobil transportmaskineri kan lede proteiner til spesifikke intracellulære eller ekstracellulære steder. Selv om det ikke er identifisert noen konsensus -sekvens for signalpeptider, har mange likevel en karakteristisk trepartsstruktur:

  1. En positivt ladet, hydrofil region nær N-terminalen.
  2. Et spenn på 10 til 15 hydrofobe aminosyrer nær midten av signalpeptidet.
  3. En litt polær region nær C-terminalen, som vanligvis favoriserer aminosyrer med mindre sidekjeder på posisjoner som nærmer seg spaltningsstedet.

Etter at et protein har nådd sin destinasjon, blir signalpeptidet generelt spaltet av en signalpeptidase . Følgelig inneholder de fleste modne proteiner ikke signalpeptider. Mens de fleste signalpeptider finnes ved N-terminalen, er målsekvensen i peroksisomer plassert på den C-terminale forlengelsen. I motsetning til signalpeptider, består signalpatcher av aminosyrerester som er diskontinuerlige i primærsekvensen, men blir funksjonelle når bretting bringer dem sammen på proteinoverflaten. I motsetning til de fleste signalsekvenser, spaltes ikke signaloppdateringer etter at sorteringen er fullført. I tillegg til iboende signalsekvenser, kan proteinmodifikasjoner som glykosyleringer også indusere målretting til spesifikke intracellulære eller ekstra cellulære regioner.

Protein translokasjon

Ytterligere informasjon: translocon

Siden oversettelsen av mRNA til protein av et ribosom finner sted i cytosolen , må proteiner bestemt til sekresjon eller en spesifikk organell translokeres. Denne prosessen kan oppstå under oversettelse, kjent som co-translationell translokasjon, eller etter at oversettelsen er fullført, kjent som post-translasjonell translokasjon.

Co-translasjonell translokasjon

De fleste sekretoriske og membranbundne proteiner translokeres co-translasjonelt. Proteiner som befinner seg i endoplasmatisk retikulum (ER), golgi eller endosomer bruker også ko-translasjonell translokasjonsvei. Denne prosessen begynner mens proteinet blir syntetisert på ribosomet, når en signalgjenkjenningspartikkel (SRP) gjenkjenner et N-terminal signalpeptid av det begynnende proteinet. Binding av SRP stopper midlertidig syntesen mens ribosom-proteinkomplekset overføres til en SRP-reseptor på ER i eukaryoter , og plasmamembranen i prokaryoter . Der settes det begynnende proteinet inn i translokonen , en membranbundet proteinledende kanal sammensatt av Sec61-translokasjonskomplekset i eukaryoter, og det homologe SecYEG- komplekset i prokaryoter. I sekretoriske proteiner og type I transmembrane proteiner spaltes signalsekvensen umiddelbart fra det begynnende polypeptidet når det er blitt translokert til membranen til ER (eukaryoter) eller plasmamembran (prokaryoter) av signalpeptidase . Signalsekvensen til membranproteiner av type II og noen polytopiske membranproteiner blir ikke spaltet og blir derfor referert til som signalanker -sekvenser. Innenfor ER blir proteinet først dekket av et chaperone -protein for å beskytte det mot den høye konsentrasjonen av andre proteiner i ER, noe som gir det tid til å brette seg riktig. Når det er brettet, blir proteinet modifisert etter behov (for eksempel ved glykosylering ), deretter transportert til Golgi for videre behandling og går til dets målorganeller eller beholdes i ER ved forskjellige ER -retensjonsmekanismer .

Aminosyrekjeden til transmembranproteiner , som ofte er transmembranreseptorer , passerer gjennom en membran en eller flere ganger. Disse proteinene settes inn i membranen ved translokasjon, til prosessen blir avbrutt av en stopp-overføringssekvens, også kalt et membrananker eller en signalanker-sekvens. Disse komplekse membranproteinene er for tiden karakterisert ved å bruke den samme målrettingsmodellen som er utviklet for sekretoriske proteiner. Imidlertid inneholder mange komplekse multi-transmembrane proteiner strukturelle aspekter som ikke passer denne modellen. Syv transmembrane G-proteinkoblede reseptorer (som representerer omtrent 5% av genene hos mennesker) har stort sett ikke en aminoterminal signalsekvens. I motsetning til sekretoriske proteiner fungerer det første transmembrane domenet som den første signalsekvensen, som retter seg mot ER -membranen. Dette resulterer også i translokasjon av aminoterminalen til proteinet til ER -membranlumen. Denne translokasjonen, som har blitt demonstrert med opsin med in vitro-eksperimenter, bryter det vanlige mønsteret for "co-translasjonell" translokasjon som alltid har holdt for pattedyrsproteiner rettet mot ER. Mye av mekanikken i transmembrantopologi og folding gjenstår å belyse.

Post-translasjonell translokasjon

Selv om de fleste sekretoriske proteiner translokaliseres co-translasjonelt, blir noen oversatt i cytosolen og senere transportert til ER/plasmamembranen av et posttranslasjonssystem. I prokaryoter krever denne prosessen visse kofaktorer som SecA og SecB og tilrettelegges av Sec62 og Sec63 , to membranbundne proteiner. Sec63 -komplekset, som er innebygd i ER -membranen, forårsaker hydrolyse av ATP, slik at chaperonproteiner kan binde seg til en eksponert peptidkjede og skyve polypeptidet inn i ER -lumen. Når den er i lumen, kan polypeptidkjeden brettes ordentlig. Denne prosessen skjer bare i utfoldede proteiner som ligger i cytosolen.

I tillegg bruker proteiner som er målrettet mot andre mobildestinasjoner, for eksempel mitokondrier , kloroplaster eller peroksisomer , spesialiserte posttranslasjonsveier. Proteiner som er rettet mot kjernen, translokeres også posttranslasjonalt gjennom tilsetning av et kjernefysisk lokaliseringssignal (NLS) som fremmer passering gjennom atomkonvolutten via kjerneporer .

Sortering av proteiner

Mitokondrier

Hovedartikkel: TIM/TOM -kompleks

De fleste mitokondriale proteiner blir syntetisert som cytosoliske forløpere som inneholder opptak peptid signaler . Cytosoliske chaperoner leverer preproteiner til kanalbundne reseptorer i mitokondriemembranen . Den preprotein med presekvens målrettet for mitokondrier er bundet av reseptorer og den generelle import pore (GIP), kollektivt kjent som translokase av den ytre membran (TOM), ved den ytre membranen . Den blir deretter translokert gjennom TOM som hårnålsløyfer. Preproteinet transporteres gjennom intermembran plass av små tims (som også virker som molekylære chaperoner ) til den TIM23 eller TIM22 ( translokaseinhibitorer av den indre membran ) på den indre membran . Innenfor matriksen den målsøkende sekvens avspaltes ved mtHsp70.

Tre mitokondrielle ytre membranreseptorer er kjent:

  1. TOM70 : Binder seg til interne målrettende peptider og fungerer som dokkingpunkt for cytosoliske chaperoner.
  2. TOM20 : Binder forfølge.
  3. TOM22 : Binder både forfølge og interne målrettende peptider.

Den TOM kanal ( TOM40 ) er et kation spesifikk høy konduktans kanal med en molekylvekt på 410 kDa og et pore diameter på 21A.

Presekvensen translokase23 (TIM23) er lokalisert til mitokondriell indre membran og fungerer som et poreformende protein som binder forløperproteiner med sin N-terminal . TIM23 fungerer som translokator for preproteiner til mitokondriell matrise, den indre mitokondriemembranen så vel som for intermembranrommet. TIM50 er bundet til TIM23 på den indre mitokondrielle siden og funnet å binde forfølge. TIM44 er bundet på matrikssiden og funnet binding til mtHsp70.
Presekvensen translokase22 (TIM22) binder preproteiner utelukkende bundet til den indre mitokondriemembranen.

Mitokondriell matriks -målrettingssekvens er rik på positivt ladede aminosyrer og hydroksylerte aminosyrer.

Proteiner er målrettet mot innsendokondrielle rom med flere signaler og flere veier.

Målretting mot ytre membran, intermembranrom og indre membran krever ofte en annen signalsekvens i tillegg til matrisemålsekvensen.

Kloroplaster

Preproteinet for kloroplaster kan inneholde en stromal importsekvens eller en stromal og thylakoid målrettingssekvens. Flertallet av preproteiner translokeres gjennom Toc- og Tic -kompleksene som befinner seg innenfor kloroplasthylsteret. I stroma blir den stromale importsekvensen spaltet og brettet, og intra-kloroplast-sorteringen til thylakoider fortsetter. Proteiner rettet mot konvolutten til kloroplaster mangler vanligvis spaltbar sorteringssekvens.

Både kloroplaster og mitokondrier

Mange proteiner er nødvendig i både mitokondrier og kloroplaster . Generelt er det dobbeltmålrettede peptidet av mellomliggende karakter til de to spesifikke. De målrettende peptidene til disse proteinene har et høyt innhold av basiske og hydrofobe aminosyrer , et lavt innhold av negativt ladede aminosyrer . De har et lavere innhold av alanin og et høyere innhold av leucin og fenylalanin. De doble målrettede proteiner har et mer hydrofobt målrettet peptid enn både mitokondrie og kloroplastiske. Imidlertid er det kjedelig å forutsi om et peptid er dobbeltmålrettet eller ikke basert på dets fysisk-kjemiske egenskaper.

Peroksisomer

Alle peroksisomale proteiner er kodet av kjernefysiske gener. Til dags dato er det to typer kjente Peroxisome Targeting Signals (PTS):

  1. Peroksisom-målsignal 1 (PTS1) : et C-terminalt tripeptid med en konsensus-sekvens (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). Den vanligste PTS1 er serin - lysin - leucin (SKL). De fleste peroksisomale matriksproteiner har et PTS1 -type signal.
  2. Peroxisome targeting signal 2 (PTS2) : et nonapeptid som ligger i nærheten av N-terminalen med en konsensus-sekvens (R/K)-(L/V/I) -XXXXX- (H/Q)-(L/A/F) ( hvor X kan være hvilken som helst aminosyre).

Det er også proteiner som ikke har noen av disse signalene. Transporten deres kan være basert på en såkalt "piggy-back" -mekanisme: slike proteiner assosieres med PTS1-besittende matriksproteiner og blir translokert til peroksisomal matrise sammen med dem.

Sykdommer

Proteintransport er defekt i følgende genetiske sykdommer:

I bakterier og archaea

Som diskutert ovenfor (se proteintranslokasjon ), er de fleste prokaryote membranbundne og sekretoriske proteiner målrettet mot plasmamembranen ved enten en co-translasjonsvei som bruker bakteriell SRP eller en post-oversettelsesbane som krever SecA og SecB. Ved plasmamembranen leverer disse to veiene proteiner til SecYEG translokon for translokasjon. Bakterier kan ha en enkelt plasmamembran ( grampositive bakterier ), eller en indre membran pluss en ytre membran atskilt av periplasma ( gramnegative bakterier ). I tillegg til plasmamembranen mangler de fleste prokaryoter membranbundne organeller som finnes i eukaryoter, men de kan montere proteiner på forskjellige typer inneslutninger som gassvesikler og lagringskorn.

Gram-negative bakterier

Hovedartikkel: Gram-negativ bakteriesekresjon

I gramnegative bakterier kan proteiner inkorporeres i plasmamembranen, den ytre membranen, periplasma eller skilles ut i miljøet. Systemer for utskillelse av proteiner på tvers av den ytre bakterielle membranen kan være ganske komplekse og spille nøkkelroller i patogenesen. Disse systemene kan beskrives som type I -sekresjon, type II -sekresjon, etc.

Gram-positive bakterier

Hovedartikkel: Gram-positiv bakteriesekresjon

I de fleste grampositive bakterier er visse proteiner målrettet for eksport over plasmamembranen og påfølgende kovalent binding til bakteriecelleveggen. Et spesialisert enzym, sortase , spalter målproteinet på et karakteristisk gjenkjenningssted nær protein C-terminalen, for eksempel et LPXTG-motiv (hvor X kan være hvilken som helst aminosyre), og overfører deretter proteinet til celleveggen. Det er funnet flere analoge systemer som på samme måte har et signaturmotiv på det ekstracytoplasmiske ansiktet, et C-terminalt transmembrandomene og en klynge med grunnleggende rester på det cytosoliske ansiktet ved proteinets ekstreme C-terminal. PEP-CTERM/ eksosortasesystemet , som finnes i mange gramnegative bakterier, ser ut til å være relatert til ekstracellulær polymert stoffproduksjon . PGF-CTERM/archaeosortase A-systemet i archaea er relatert til S- lagsproduksjon . GlyGly-CTERM/rhombosortasesystemet, som finnes i Shewanella, Vibrio, og noen få andre slekter, virker involvert i frigjøring av proteaser, nukleaser og andre enzymer.

Bioinformatiske verktøy

  • Minimotif Miner er et bioinformatikkverktøy som søker etter proteinsekvensforespørsler etter et kjent proteinmålrettet sekvensmotiv.
  • Phobius spår signalpeptider basert på en levert primær sekvens.
  • SignalP forutsier signalpeptidspaltningssteder.
  • LOCtree forutsier subcellulær lokalisering av proteiner.

Se også

Referanser

Eksterne linker