Введение

Краткий пептид, присутствующий на N-терминале вновь синтезированных белков.

Сигнальный пептид (иногда называемый сигнальной последовательностью, сигналом таргетирования, сигналом локализации, локализационной последовательностью, транзитным пептидом, последовательностью-лидером или лидерным пептидом) — это короткий пептид (обычно длиной 16-30 аминокислот), присутствующий на N-терминале (или иногда неклассически на C-терминале или внутри) большинства вновь синтезированных белков, предназначенных для секреторного пути. Эти белки включают те, которые находятся внутри определенных органелл (эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи или эндосом), секретируются из клетки или встраиваются в большинство клеточных мембран. Хотя большинство мембранных белков I типа имеют сигнальные пептиды, большинство мембранных белков II типа и белков, пронизывающих мембрану многократно, направляются в секреторный путь своим первым трансмембранным доменом, который биохимически напоминает сигнальную последовательность, за исключением того, что он не подвергается расщеплению. Они являются разновидностью пептидов-мишеней.

Функция (транслокация)

Сигнальные пептиды инициируют транслокацию белка клеткой, как правило, к клеточной мембране. У прокариот сигнальные пептиды направляют вновь синтезированный белок к проводящему каналу SecYEG, который находится в плазматической мембране. У эукариот существует гомологичная система, где сигнальный пептид направляет новосинтезированный белок к каналу Sec61, который обладает структурным и последовательным сходством с SecYEG, но расположен в эндоплазматическом ретикулуме. Каналы SecYEG и Sec61 обычно называют транслоконом, а прохождение через этот канал известно как транслокация. В то время как секретируемые белки перемещаются через канал, трансмембранные домены могут диффундировать через латеральный проход в транслоконе, чтобы включиться в окружающую мембрану.

Структура

Ядро сигнального пептида содержит длинный участок гидрофобных аминокислот (примерно 5–16 остатков в длину), который склонен формировать единственную альфа-спираль и также называется "h-областью". Кроме того, многие сигнальные пептиды начинаются с короткого положительно заряженного участка аминокислот, который может способствовать правильной топологии полипептида во время транслокации в соответствии с так называемым правилом "положительно внутри". Благодаря своему расположению вблизи N-конца, этот участок называется "n-областью". В конце сигнального пептида обычно находится участок аминокислот, который распознается и расщепляется сигнальной пептидазой, поэтому он называется сайтом расщепления. Этот сайт расщепления отсутствует в трансмембранных доменах, выполняющих функцию сигнальных пептидов, которые иногда называют сигнальными якорными последовательностями. Сигнальная пептидаза может осуществлять расщепление во время или после завершения транслокации, образуя свободный сигнальный пептид и зрелый белок. Свободные сигнальные пептиды затем подвергаются воздействию специфических протеаз. Более того, разные типы сигнальных пептидов направлены к различным локализациям. Например, структура целевого пептида, направляемого в митохондриальную среду, отличается по длине и характеризуется чередованием коротких положительно заряженных и гидрофобных участков. Сигнальные пептиды, направляющие в ядро, могут находиться как у N-конца, так и у C-конца белка и в большинстве случаев остаются в зрелом белке. Последовательность аминокислот N-терминального сигнального пептида можно определить с помощью деградации Эдмана – циклической процедуры, отщепляющей аминокислоты по одной.

Котрансляционная и посттрансляционная транслокация

Как у прокариот, так и у эукариот сигнальные последовательности могут действовать ко-трансляционно или пост-трансляционно. Ко-трансляционный путь инициируется, когда сигнальный пептид выходит из рибосомы и распознается частицей распознавания сигнала (SRP). SRP затем останавливает дальнейшую трансляцию (трансляционная остановка происходит только у эукариот) и направляет комплекс рибосомы-мРНК-сигнальной последовательности к рецептору SRP, который присутствует на поверхности либо плазматической мембраны (у прокариот), либо ЭР (у эукариот). После завершения таргетирования на мембрану сигнальная последовательность вставляется в транслокон. Затем рибосомы физически фиксируются на цитоплазматической стороне транслокона, и синтез белка возобновляется. Пост-трансляционный путь инициируется после завершения синтеза белка. У прокариот сигнальная последовательность пост-трансляционных субстратов распознается белком-шапероном SecB, который передает белок в ATPазу SecA, которая, в свою очередь, прокачивает белок через транслокон. Хотя пост-трансляционная транслокация известна и у эукариот, она изучена недостаточно. Известно, что у дрожжей пост-трансляционная транслокация требует транслокона и двух дополнительных мембранно-связанных белков, Sec62 и Sec63.

Определение эффективности секреции

Сигнальные пептиды крайне гетерогенны, многие прокариотические и эукариотические из них функционально взаимозаменяемы как внутри видов, так и между ними, и все они определяют эффективность секреции белка.

Характеристики уровня нуклеотидов

У позвоночных область мРНК, кодирующая сигнальный пептид (то есть область кодирования последовательности сигнала, или SSCR), может функционировать как РНК-элемент с определенной активностью. SSCR способствуют экспорту мРНК из ядра и ее правильной локализации к поверхности эндоплазматической сети. Кроме того, SSCR обладают специфическими характеристиками последовательности: они характеризуются низким содержанием аденина, обогащены определенными мотивами и, как правило, встречаются в первом экзоне с частотой, превышающей ожидаемую.

Механизмы альтернативной секреции

Белки, не имеющие сигнальных пептидов, также могут секретироваться нетрадиционными механизмами. Например, интерлейкин, галектин. Процесс, с помощью которого такие секреторные белки попадают за пределы клетки, называется нетрадиционной секрецией белков (UPS). У растений до 50% секретируемых белков могут секретироваться посредством UPS.

Неклассические последовательности

Сигнальные пептиды обычно находятся на N-конце белков. Некоторые имеют C-концевые или внутренние сигнальные пептиды (например, пероксисомальный сигнал нацеливания и ядерный сигнал локализации). Структура этих неклассических сигнальных пептидов сильно отличается от структуры N-концевых сигнальных пептидов.

Номенклатура

Сигнальные пептиды не следует путать с лидерными пептидами, которые иногда кодируются лидерной мРНК, хотя оба они порой неоднозначно именуются "лидерными пептидами". Эти другие лидерные пептиды – короткие полипептиды, не участвующие в локализации белка, но способные регулировать транскрипцию или трансляцию основного белка и не входящие в состав конечной последовательности белка. Этот тип лидерных пептидов в основном встречается в бактериальных системах регуляции генов, хотя аналогичный механизм используется и для регуляции генов эукариот, известный как uORF (вверх по потоку открытые рамки считывания).