Кіріспе

Белоктарды бағыттаудың биологиялық механизмі. Белоктарды мақсаттау немесе сұрыптау – белоктардың жасушаның ішінде немесе сыртындағы тиісті жерлеріне тасымалдануының биологиялық механизмі. Бұл мақалада еукариоттардағы белоктарды бағыттау қарастырылады, егер басқаша көрсетілмесе. Белоктар органелланың ішкі кеңістігіне, әртүрлі жасушаішілік мембраналарға, плазмалық мембранаға немесе секреция арқылы жасушадан тысқары жерге бағытталуы мүмкін. Дұрыс сұрыптау жасуша үшін маңызды; сұрыптаудағы қателер немесе дисфункциялар көптеген аурулармен байланысты.

Тарих

1970 жылы Гюнтер Блобель мембраналар арқылы белоктардың транслокациясына қатысты эксперименттер жүргізді. Рокфеллер университетінде ассистент профессор болған Блобель, өзінің әріптесі Джордж Паладенің жұмысын дамытты. Паладе бұрын секрецияланбайтын белоктардың цитозольдегі бос рибосомалармен трансляцияланатынын, ал секрецияланатын белоктардың (және жалпы мақсатты белоктардың) эндоплазмалық ретикулумға байланысқан рибосомалармен трансляцияланатынын көрсеткен.

Сигналдық пептидтер

Сигналдық пептидтер нысанаға бағыттау сигналдары ретінде қызмет етеді, жасушалық тасымалдау механизмдеріне белгілі бір жасуша ішіндегі немесе жасуша сыртындағы жерлерге ақуыздарды бағыттауға мүмкіндік береді. Сигналдық пептидтер үшін жалпыға қабылданған тізбек анықталмаған, бірақ көптеген пептидтер ерекше үш бөлімді құрылымға ие: сигналдық пептидтерден өзгеше, сигналдық жапсырмалар аминқышқыл қалдықтарынан тұрады, олар бастапқы тізбекте үзіліспен орналасқан, бірақ ақуыз бүктелу кезінде бетіне жиналғанда функционалды болады. Көптеген сигналдық тізбектерден айырмашылығы, сигналдық жапсырмалар сұрыптау толыққаннан кейін кесілмейді. Ішкі сигналдық тізбектерге қоса, гликозилдеу сияқты ақуыздың өзгерістері де белгілі бір жасуша ішіндегі немесе жасуша сыртындағы аймақтарға бағыттауға себеп болуы мүмкін.

Белоктардың транслокациясы

Рибосома арқылы мРНК-ның ақуызға аударылуы цитозольде жүзеге асса, секрециялануға немесе белгілі бір органеллаға жөнелтілуге тиіс ақуыздар транслокациялануы қажет. Бұл процесс аударма барысында, яғни ко-трансляциялық транслокация ретінде, немесе аударма толыққаннан кейін, яғни пост-трансляциялық транслокация ретінде жүруі мүмкін.

Котрансляциялық транслокация

Көптеген секреторлық және мембраналық ақуыздар котрансляциялық транслокацияланады. Эндоплазмалық ретикулумда (ЭР), Гольджи аппаратында немесе эндосомаларда орналасқан ақуыздар да котрансляциялық транслокация жолын пайдаланады. Бұл процесс ақуыздың рибосомада синтезделуі кезінде басталады, сол кезде сигналды тану бөлшегі (SRP) жаңа пайда болатын ақуыздың N-терминалды сигнал пептидін таниды. SRP байланысы синтезді уақытша тоқтатады, ал рибосома-ақуыз кешені эукариоттардағы ЭР-дегі SRP рецепторына және прокариоттардағы плазмалық мембранаға беріледі. Онда жаңа пайда болған ақуыз транслоконға, яғни эукариоттардағы Sec61 транслокациялық кешенінен және прокариоттардағы гомологты SecYEG кешенінен тұратын мембрана арқылы ақуызды өткізетін каналға енгізіледі. Секреторлық ақуыздар мен I типті трансмембраналық ақуыздарда сигнал тізбегі сигнал пептидазасы арқылы ЭР (эукариоттар) немесе плазмалық мембранаға (прокариоттар) транслокацияланғаннан кейін пайда болған полипептидтен бірден бөлініп кетеді. II типті мембраналық ақуыздардың және кейбір политопиялық мембраналық ақуыздардың сигнал тізбектері бөлінбейді, сондықтан оларды сигнал ілмек тізбектері деп атайды. ЭР ішінде ақуызды ЭР-дегі басқа ақуыздардың жоғары концентрациясынан қорғау үшін алдымен шаперон ақуызбен жабады, бұл оған дұрыс бүктелуге уақыт береді. Бүктеліп болғаннан кейін ақуыз қажет болған жағдайда модификацияланады (мысалы, гликозилдеу арқылы), содан кейін одан әрі өңдеу үшін Гольджи аппаратына тасымалданады және оның мақсатты органеллаларына жетеді немесе ЭР-де әртүрлі ЭР ұстау механизмдерімен сақталады. Трансмембраналық ақуыздардың аминқышқылдар тізбегі, олар көбінесе трансмембраналық рецепторлар болып табылады, мембранадан бір немесе бірнеше рет өтеді. Бұл ақуыздар мембранаға транслокация арқылы енгізіледі, бұл процесс мембраналық ілмек немесе сигнал ілмек тізбегі деп аталатын тоқтату-өткізу тізбегімен үзілгенге дейін жалғасады. Қазіргі уақытта бұл күрделі мембраналық ақуыздар секреторлық ақуыздар үшін жасалған мақсаттылық моделімен сипатталады. Алайда, көптеген күрделі көп мембраналы ақуыздар осы модельге сәйкес келмейтін құрылымдық ерекшеліктерді қамтиды. Жеті трансмембраналық G белокпен жұптасқан рецепторлардың (адамдардағы гендердің шамамен 5% құрайды) көбінесе амин-терминалды сигнал тізбегі жоқ. Секреторлық ақуыздардан айырмашылығы, бірінші трансмембраналық домен бірінші сигнал тізбегі ретінде әрекет етеді, ол оларды ЭР мембранасына бағыттайды. Бұл сонымен қатар ақуыздың амин-аяғының ЭР мембранасының люменіне транслокациялануына әкеледі. Бұл транслокация, опсинмен in vitro эксперименттерде көрсетілгендей, ЭР-ге бағытталған сүтқоректілер ақуыздары үшін әрқашан қолданылған "котрансляциялық" транслокацияның әдеттегі үлгісін бұзады. Трансмембраналық топология мен бүктелу механизмінің көп бөлігін әлі де анықтау қажет.

Аудармадан кейінгі транслокация

Көптеген секреторлық ақуыздар котрансляциялық транслокацияланады, бірақ кейбіреулері цитозольде трансляцияланып, кейіннен ER/плазмалық мембранаға посттрансляциялық жүйе арқылы тасымалданады. Прокариоттарда бұл процеске SecA және SecB сияқты белгілі бір кофакторлар қажет, ал Sec62 және Sec63 екі мембранаға байланысқан ақуыздар осы процеске көмектеседі. ER мембранасына енген Sec63 кешені АТФ гидролизін тудырады, бұл шаперон ақуыздарына ашық пептидтік тізбекке байланысып, полипептидті ER люменіне жылға беруге мүмкіндік береді. Люменге енгеннен кейін полипептидтік тізбек дұрыс бүктелуі мүмкін. Бұл процесс тек цитозольдегі бүктелмеген ақуыздарда ғана жүреді. Сонымен қатар, митохондрия, хлоропласттар немесе пероксисомалар сияқты басқа жасушалық орындарға бағытталған ақуыздар арнайы посттрансляциялық жолдарды қолданады. Ядроға бағытталған ақуыздар да посттрансляциялық транслокацияға ұшырайды, яғни ядролық қабықша арқылы өтуге көмектесетін ядролық локализациялық сигнал (NLS) қосылады.

Митохондриялар

Митохондриядағы кейбір ақуыздар органелланың ішіндегі митохондриялық ДНҚ-дан пайда болса, митохондриялық ақуыздардың көпшілігі сіңірілу пептидтік сигналдарын қамтитын цитозольдік прекурсорлар ретінде синтезделеді. Митохондрияға бағытталған және цитозольдік шаперон hsp70-ке байланысқан бүлінген ақуыздар, олардың аминқышқылдық тізбегіне байланысты төрт түрлі аймаққа орналасуы мүмкін. Олар митохондриялық матрицаға, сыртқы мембранаға, мембранааралық кеңістікке немесе ішкі мембранаға бағыттала алады. Осы процестердің кез келген біреуінің немесе бірнешеуінің бұзылуы денсаулық және аурулармен байланысты.

Митохондриялық матрица

Митохондриялық матрицаға бағытталған ақуыздардың N-ұшында 20-дан 50 аминқышқылынан тұратын арнайы сигналдық тізбегі болады. Бұл тізбектер митохондрия ішіндегі дұрыс орналасуына көмектесетін рецепторлармен өзара әрекеттесуге арналған. Тізбектердің суды жақсы көретін (гидрофильді) және судан қашатын (гидрофобты) аминқышқылдарынан құралған ерекше құрылымы бар, бұл оларға амфипатиялық деп аталатын екі жақты табиғатты сыйлайды. Бұл амфипатиялық тізбектер әдетте спираль тәрізді (альфа-спираль) пішінде болады, онда зарядталған аминқышқылдары бір жағында, ал гидрофобтықтары қарсы жағында орналасады. Бұл құрылымдық ерекшелік ақуыздың матрицаға дұрыс бағытталуы үшін тізбектің тиімді жұмыс істеуіне өте қажет. Егер осы екі жақты табиғатты бұзатын мутациялар туындаса, ақуыз көбінесе көздеген жеріне жетпейді, бірақ тізбектегі барлық өзгерістер осындай әсерге ие болмайды. Бұл ақуыздың митохондриялық матрицаға дұрыс бағытталуы үшін амфипатиялық қасиеттің маңызды екенін көрсетеді. TOM70-ке ішкі тізбектер мен цитозольдік шаперондардың қосылуымен қатар, митохондрияға ену алдында ашық күйде ұстап тұратын цитозольдік шаперондардың қажетті босатылуы да жүреді. Полипептид матрицаға енгенде сигналдық тізбек процессинг пептидазасымен кесіледі, ал қалған тізбектер дұрыс бүктелуі мен белсенділігін күту үшін митохондриялық шаперондармен байланысады. Матрица ішіндегі теріс потенциал бағыттаушы тізбектің оң зарядталған аймақтарын қажетті орнына бағыттайды.

Митохондрияның ішкі мембранасы

Митохондриялық белоктардың ішкі мембранаға бағытталуы олардың жалпы тізбегіне байланысты 3 түрлі жолмен жүруі мүмкін, бірақ сыртқы мембранадан кіру TOM20/22 және TOM40 жалпы импорттық өзегін пайдалану арқылы бірдей болады. Екінші мембранааралық кеңістіктегі жол ешқандай ішкі мембрана кешендерін пайдаланбайды, сондықтан матрицаға бағытталған сигнал болмайды. Оның орнына, ол TOM40 жалпы импорттық өзегі арқылы кіреді және белсенді конформацияға жету үшін мембранааралық кеңістікте одан әрі модификацияланады. TIM9/10 – ішкі мембранаға бағытталуға көмектесу үшін қажетті орналасқан жерге жету үшін осы жолды ұстанатын белоктың мысалы.

Митохондрияның сыртқы мембранасы

Сыртқы мембранаға бағыттау, прекурсорлық ақуыздардың сыртқы мембраналық транслоказа кешендерімен өзара әрекеттесуін қамтиды, бұл оларды фосфолипидтік екі қабатты құрайтын гидрофобты альфа-спиральдар немесе бета-цилиндрлер құратын ішкі бағыттау тізбектері арқылы мембранаға енгізеді. Хлоропласт қабығына бағытталған ақуыздарда көбінесе кесіліп алынатын сұрыптау тізбегі болмайды және олар мембраналық сұрыптау кешендері арқылы жанында жылжытылады. Көптеген препротеиндерді импорттау үшін хлоропласт қабығында орналасқан Toc және Tic кешендері арқылы цитозолдан транслокация қажет. Toc – сыртқы хлоропласт қабығының транслоказасының аббревиатурасы, ал Tic – ішкі хлоропласт қабығының транслоказасы. Toc кешенінің жұмысын қамтамасыз ететін кемінде үш ақуыз бар. Олардың екеуі Toc159 және Toc34 деп аталады, олар стромальдық импорт тізбектерін байланыстыруға жауапты және екеуінде де GTPаза активтілігі бар. Үшіншісі, Toc75 деп аталатын, Toc159/34 анықтаған препротеин хлоропластқа жеткізілетін транслокациялық арна болып табылады.

Строма

Стромаға бағыттау үшін препротеиннің сыртқы қабықтан Toc кешені арқылы транслокацияланғаннан кейін ішкі қабықтың Tic кешенімен танылатын стромалық импорттық тізбегі болуы керек. Tic кешені ішкі қабықтың бойымен транслокациялық арнаны құруға қажетті кем дегенде бес түрлі Tic ақуызынан тұрады. Стромаға жеткізілгеннен кейін, стромалық импорттық тізбек сигналдық пептидаза арқылы кесіліп алынады. Стромаға бұл жеткізу процесі қазіргі уақытта митохондрияда белок импорттау үшін құрылған трансмембраналық электрохимиялық градиент емес, стромалық HSP шаперондары арқылы АТФ гидролизімен жүзеге асырылады. Жалпы, екі мақсатты пептид екі нақты пептидке қарағанда аралық сипатқа ие. Бұл ақуыздардың бағыттау пептидтері негізгі және гидрофобты аминқышқылдарының жоғары мөлшерін, ал теріс зарядталған аминқышқылдарының төмен мөлшерін қамтиды. Олардың құрамында аланин азырақ, ал лейцин мен фенилаланин көп. Екі мақсатты ақуыздар митохондриялық және хлоропластикалық пептидтерге қарағанда гидрофобтық бағыттау пептидіне ие. Дегенмен, пептидтің екі мақсатты немесе екі мақсатты емес екенін оның физико-химиялық қасиеттеріне сүйене отырып болжау қиын.

Бактериялар мен археяларда

Жоғарыда айтылғандай (белок транслокациясын қараңыз), прокариоттық мембранаға байланған және секреторлық ақуыздардың көпшілігі бактериялық SRP-ні пайдаланатын трансляция барысындағы жолмен немесе SecA және SecB қатысатын трансляциядан кейінгі жолмен плазма мембранасына бағытталады. Плазма мембранасында бұл екі жол белоктарды транслокация үшін SecYEG транслоконына жеткізеді. Бактериялар бір ғана плазма мембранасына (Грам-оң бактериялар) немесе ішкі мембрана мен периплазма арқылы бөлінген сыртқы мембранаға (Грам-теріс бактериялар) ие болуы мүмкін. Плазма мембранасынан басқа, прокариоттардың көпшілігі эукариоттардағыдай мембранаға байланған органеллаларға ие емес, бірақ олар белоктарды газды көпіршіктер және сақтау гранулалары сияқты әртүрлі инклюзияларға жинастыра алады.

Грам-жағымсыз бактериялар

Грам-теріс бактерияларда ақуыздар плазмалық мембранаға, сыртқы мембранаға, периплазмаға енуі немесе қоршаған ортаға шығарылуы мүмкін. Бактерияның сыртқы мембранасы арқылы ақуыздарды шығару жүйелері өте күрделі болуы мүмкін және патогенезде маңызды рөл атқарады. Бұл жүйелер І типті секреция, ІІ типті секреция сияқты түрлерге бөлінеді.

Грам-позитивті бактериялар

Грам-оң бактериялардың көпшілігінде белгілі бір белоктар плазмалық мембрана арқылы экспортталып, бактериялық жасуша қабырғасына ковалентті байланысады. Арнайы фермент – сортза, белоктың C ұшына жақын орналасқан, LPXTG мотиві сияқты (мұнда X кез келген аминқышқылы болуы мүмкін) ерекше тану орнында белокты кесіп, одан кейін жасуша қабырғасына жеткізеді. Осыған ұқсас бірнеше жүйелер табылды, олардың да сыртқы цитоплазмалық бетінде ерекше мотив, С-терминалды трансмембраналық домен және белоктың ең шеткі С-ұшындағы цитозольдік бетінде негізгі қалдықтардың шоғыры бар. Көптеген грам-теріс бактерияларда кездесетін PEP CTERM/экзосортаза жүйесі клеткадан тыс полимерлік заттардың өндірісімен байланысты болса, археялардағы PGF CTERM/археосортаза A жүйесі S қабатының өндірісімен байланысты. Shewanella, Vibrio және басқа да бірнеше туыстарда кездесетін GlyGly CTERM/ромбосортаза жүйесі протеазалар, нуклеазалар және басқа ферменттердің босатылуына қатысқан сияқты.

Биоинформациялық құралдар

Minimotif Miner – белгілі белоктардың мақсатталу тізбегінің мотивтерін іздейтін биоинформатикалық құрал. Phobius берілген аминқышқылдық тізбек негізінде сигналдық пептидтерді болжайды. SignalP сигналдық пептидтердің кесілу орындарын болжайды. LOCtree ақуыздардың жасуша ішіндегі орналасуын болжайды.