Введение
Биологический механизм маршрутизации белков. Нацеливание белков или сортировка белков — это биологический механизм, посредством которого белки транспортируются к своим соответствующим местам назначения внутри или за пределами клетки. В данной статье рассматривается нацеливание белков у эукариотов, если не указано иное. Белки могут быть направлены во внутреннее пространство органелл, к различным внутриклеточным мембранам, плазматической мембране или наружу из клетки посредством секреции. Правильная сортировка критически важна для клетки; ошибки или нарушения в сортировке связаны с множеством заболеваний.
Protein targeting or protein sorting is the biological mechanism by which proteins are transported to their appropriate destinations within or outside the cell. This article deals with protein targeting in eukaryotes unless specified otherwise Proteins can be targeted to the inner space of an organelle, different intracellular membranes, the plasma membrane, or to the exterior of the cell via secretion. Correct sorting is crucial for the cell; errors or dysfunction in sorting have been linked to multiple diseases.
История
В 1970 году Гюнтер Блобель провел эксперименты по транслокации белков через мембраны. Блобель, в то время ассистент-профессор в Рокфеллеровском университете, опирался на работы своего коллеги Джорджа Паладе. Паладе ранее показал, что несекретируемые белки синтезируются свободными рибосомами в цитозоле, а секретируемые белки (и белки, предназначенные для определенных органелл, в целом) – рибосомами, связанными с эндоплазматической сетью.
Сигнальные пептиды
Сигнальные пептиды служат таргетирующими сигналами, позволяя клеточному транспортному аппарату направлять белки в определенные внутриклеточные или внеклеточные локации. Хотя консенсусная последовательность для сигнальных пептидов не установлена, многие из них тем не менее обладают характерным трехчастным строением. В отличие от сигнальных пептидов, сигнальные участки формируются аминокислотными остатками, которые разрознены в первичной структуре, но становятся функциональными, когда сворачивание белка сближает их на поверхности. В отличие от большинства сигнальных последовательностей, сигнальные участки не отщепляются после завершения сортировки. Помимо встроенных сигнальных последовательностей, модификации белков, такие как гликозилирование, также могут вызывать таргетинг в определенные внутриклеточные или внеклеточные регионы.
Транслокация белка
Поскольку трансляция мРНК в белок рибосомой происходит в цитозоле, белки, предназначенные для секреции или определенной органеллы, должны быть транслоцированы. Этот процесс может происходить во время трансляции, что известно как котрансляционная транслокация, или после завершения трансляции, что известно как посттрансляционная транслокация.
Котрансляционная транслокация
Большинство секреторных и мембранно-связанных белков котрансляционно транслоцируются. Белки, локализующиеся в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), аппарате Гольджи или эндосомах, также используют котрансляционный путь транслокации. Этот процесс начинается во время синтеза белка на рибосоме, когда частица распознавания сигнала (SRP) идентифицирует N-концевой сигнальный пептид новосинтезируемого белка. Связывание SRP временно останавливает синтез, пока рибосомно-белковый комплекс переносится к рецептору SRP на ЭР у эукариот и к плазматической мембране у прокариот. Там новосинтезируемый белок вставляется в транслокон – мембранный белковый проводящий канал, состоящий из транслокационного комплекса Sec61 у эукариот и гомологичного комплекса SecYEG у прокариот. У секреторных белков и трансмембранных белков типа I сигнальная последовательность немедленно отщепляется от новосинтезируемого полипептида после его транслокации в мембрану ЭР (у эукариот) или плазматическую мембрану (у прокариот) сигнальной пептидазой. Сигнальная последовательность мембранных белков типа II и некоторых политопических мембранных белков не отщепляется и поэтому называется сигнальной якорной последовательностью. Внутри ЭР белок сначала покрывается белком-шапероном для защиты от высокой концентрации других белков в ЭР, что дает ему время для правильного сворачивания. После сворачивания белок модифицируется по мере необходимости (например, гликозилированием), затем транспортируется в аппарат Гольджи для дальнейшей обработки и направляется к целевым органеллам или удерживается в ЭР различными механизмами удержания ЭР. Аминокислотная цепь трансмембранных белков, часто являющихся трансмембранными рецепторами, проходит через мембрану один или несколько раз. Эти белки вставляются в мембрану посредством транслокации, пока процесс не прерывается стоп-трансферной последовательностью, также называемой мембранным якорем или сигнальной якорной последовательностью. Эти сложные мембранные белки в настоящее время характеризуются с использованием той же модели нацеливания, которая была разработана для секреторных белков. Однако многие сложные мультитрансмембранные белки содержат структурные особенности, не соответствующие этой модели. Семь трансмембранных G-белок-связанных рецепторов (которые составляют около 5% генов у человека) в основном не имеют N-концевой сигнальной последовательности. В отличие от секреторных белков, первый трансмембранный домен действует как первая сигнальная последовательность, направляющая их к мембране ЭР. Это также приводит к транслокации N-конца белка в просвет мембраны ЭР. Эта транслокация, продемонстрированная в in vitro экспериментах с опсином, нарушает обычный паттерн "котрансляционной" транслокации, который всегда наблюдался для белков млекопитающих, нацеленных на ЭР. Механизмы трансмембранной топологии и сворачивания во многом еще предстоит выяснить.
Послетрансляционная транслокация
Хотя большинство секреторных белков транслоцируются ко-трансляционно, некоторые транслируются в цитозоле и затем транспортируются в ЭР/плазматическую мембрану посттрансляционной системой. У прокариот этот процесс требует определенных кофакторов, таких как SecA и SecB, и облегчается белками Sec62 и Sec63, двумя белками, связанными с мембраной. Комплекс Sec63, встроенный в мембрану ЭР, вызывает гидролиз АТФ, что позволяет белкам-шаперонам связываться с экспонированной пептидной цепью и перемещать полипептид в просвет ЭР. Попав в просвет, полипептидная цепь может правильно свернуться. Этот процесс происходит только с несвернутыми белками, находящимися в цитозоле. Кроме того, белки, нацеленные в другие клеточные компартменты, такие как митохондрии, хлоропласты или пероксисомы, используют специализированные посттрансляционные пути. Белки, предназначенные для ядра, также транслоцируются посттрансляционно посредством добавления сигнала ядерной локализации (NLS), который способствует прохождению через ядерную оболочку через ядерные поры.
Митохондрии
В то время как некоторые белки в митохондриях происходят из митохондриальной ДНК внутри органелл, большинство митохондриальных белков синтезируются в виде цитозольных предшественников, содержащих сигнальные пептиды для импорта. Несвернутые белки, связанные с цитозольным шапероном hsp70 и направляемые в митохондрии, могут локализоваться в четырех различных областях в зависимости от их аминокислотной последовательности. Они могут быть направлены в митохондриальный матрикс, наружную мембрану, межмембранное пространство или внутреннюю мембрану. Нарушения в одном или нескольких из этих процессов связаны с заболеваниями и проблемами со здоровьем.
Митохондриальная матрица
Белки, предназначенные для митохондриального матрикса, имеют в начале (N-конце) специфические сигнальные последовательности, состоящие из цепочки из 20–50 аминокислот. Эти последовательности предназначены для взаимодействия с рецепторами, которые направляют белки к их правильному местоположению внутри митохондрий. Последовательности обладают уникальной структурой с группами аминокислот, любящих воду (гидрофильных) и избегающих воду (гидрофобных), что придает им двойственную природу, известную как амфипатичность. Эти амфипатические последовательности обычно формируют спиральную структуру (альфа-спираль), в которой заряженные аминокислоты расположены с одной стороны, а гидрофобные – с противоположной. Эта структурная особенность необходима для правильного функционирования последовательности в направлении белков в матрицу. Если возникают мутации, нарушающие эту двойственную природу, белок часто не достигает своего назначения, хотя не все изменения в последовательности оказывают такой эффект. Это указывает на важность амфипатического свойства для правильной адресации белка к митохондриальному матриксу. К этому также присоединяется докинг внутренних последовательностей и цитозольных шаперонов к TOM70, сопровождающийся необходимым высвобождением цитозольных шаперонов, поддерживающих развернутое состояние белка перед его проникновением в митохондрии. По мере проникновения полипептида в матрицу сигнальная последовательность расщепляется процессинговой пептидазой, а оставшиеся последовательности связываются с митохондриальными шаперонами для обеспечения правильной сборки и активации. Именно отрицательный потенциал внутри матрикса направляет положительно заряженные участки сигнальной последовательности к нужному месту.
Внутренняя мембрана митохондрий
Целевое направление митохондриальных белков во внутреннюю мембрану может осуществляться по трем различным путям в зависимости от их аминокислотной последовательности. Однако, проникновение из внешней мембраны происходит одинаково, с использованием импортного рецепторного комплекса TOM20/22 и общего импортного ядра TOM40. Второй путь через межмембранное пространство не использует комплексы внутренней мембраны и, следовательно, не содержит матричного сигнала нацеливания. Вместо этого, белок проникает через общее импортное ядро TOM40 и далее модифицируется в межмембранном пространстве для достижения активной конформации. TIM9/10 является примером белка, который использует этот путь для достижения необходимого местоположения и помощи в нацеливании на внутреннюю мембрану.
Внешняя мембрана митохондрий
Нацеливание на внешнюю мембрану заключается во взаимодействии предшественников белков с транслоказными комплексами внешней мембраны, которые внедряют их в мембрану посредством внутренних сигнальных последовательностей, формирующих гидрофобные альфа-спирали или бета-бочки, пронизывающие фосфолипидный бислой. Белки, направляемые в оболочку хлоропластов, обычно не имеют расщепляемых сортировочных сигналов и перемещаются латерально с помощью мембранных сортировочных комплексов. Общий импорт для большинства препротеинов требует транслокации из цитозоля через комплексы Toc и Tic, расположенные в оболочке хлоропласта. При этом Toc – это аббревиатура для транслоказы внешней оболочки хлоропласта, а Tic – транслоказы внутренней оболочки хлоропласта. Функционирование комплекса Toc обеспечивается минимум тремя белками. Два из них, известные как Toc159 и Toc34, отвечают за связывание стромальных импортных последовательностей и оба обладают GTP-азной активностью. Третий, известный как Toc75, является собственно каналом транслокации, который направляет распознанный препротеин, связанный с Toc159/34, внутрь хлоропласта.
Строма
Целевое направление в строму требует, чтобы препротеин содержал стромальную импортную последовательность, которая распознается комплексом Tic внутренней мембраны после транслокации из внешней мембраны комплексом Toc. Комплекс Tic состоит как минимум из пяти различных белков Tic, необходимых для формирования канала транслокации через внутреннюю мембрану. По прибытии в строму, стромальная импортная последовательность отщепляется сигнальной пептидазой. В настоящее время известно, что этот процесс доставки в строму обеспечивается гидролизом АТФ с помощью стромальных HSP-шаперонов, а не трансмембранным электрохимическим градиентом, который используется в митохондриях для импорта белков. В целом, двойной таргетирующий пептид имеет промежуточный характер по сравнению с двумя специфическими. Таргетирующие пептиды этих белков характеризуются высоким содержанием основных и гидрофобных аминокислот и низким содержанием отрицательно заряженных аминокислот. Они содержат меньше аланина и больше лейцина и фенилаланина. Двойные таргетирующие белки имеют более гидрофобный таргетирующий пептид, чем митохондриальные и хлоропластические. Однако, основываясь на физико-химических характеристиках, предсказать, является ли пептид двойным таргетирующим, затруднительно.
В бактериях и археях
Как обсуждалось выше (см. транслокацию белка), большинство прокариотических мембранных и секреторных белков направляются к плазматической мембране либо путем котрансляции с использованием бактериальной SRP, либо путем посттрансляционного пути, требующего SecA и SecB. На плазматической мембране оба эти пути доставляют белки к транслокону SecYEG для транслокации. Бактерии могут иметь одну плазматическую мембрану (грамположительные бактерии) или внутреннюю и внешнюю мембраны, разделенные периплазмой (грамотрицательные бактерии). Помимо плазматической мембраны, у большинства прокариотов нет мембранных органелл, как у эукариот, но они могут собирать белки в различные типы включений, такие как газовые везикулы и гранулы запасания.
Грам-отрицательные бактерии
В грамотрицательных бактериях белки могут быть включены в плазматическую мембрану, наружную мембрану, периплазму или секретированы во внешнюю среду. Системы, обеспечивающие секрецию белков через наружную мембрану бактерий, могут быть довольно сложными и играть ключевую роль в патогенезе. Эти системы могут классифицироваться как секреция типа I, секреция типа II и так далее.
Грамположительные бактерии
В большинстве грамположительных бактерий определенные белки предназначены для экспорта через плазматическую мембрану и последующего ковалентного присоединения к бактериальной клеточной стенке. Специализированный фермент, сортаза, расщепляет целевой белок в характерном участке распознавания вблизи C-конца белка, например, мотив LPXTG (где X может быть любой аминокислотой), а затем переносит белок на клеточную стенку. Обнаружено несколько аналогичных систем, которые также характеризуются сигнатурным мотивом на внецитоплазматической поверхности, C-концевым трансмембранным доменом и скоплением основных аминокислотных остатков на цитозольной поверхности у самого C-конца белка. Система PEP CTERM/экзосортазы, обнаруженная у многих грамотрицательных бактерий, по-видимому, связана с производством внеклеточного полимерного вещества. Система PGF CTERM/археосортазы A у архей связана с производством S-слоя. Система GlyGly CTERM/ромбосортазы, обнаруженная у Shewanella, Vibrio и нескольких других родов, по-видимому, участвует в высвобождении протеаз, нуклеаз и других ферментов.
Биоинформатические инструменты
Minimotif Miner – это инструмент биоинформатики, который осуществляет поиск в запросах последовательностей белков известных мотивов, определяющих их направленность. Phobius предсказывает сигнальные пептиды на основе предоставленной первичной последовательности. SignalP предсказывает сайты расщепления сигнальных пептидов. LOCtree предсказывает субклеточную локализацию белков.