Ciljanje proteina

Ciljanje proteina ili sortiranje proteina je biološki mehanizam pomoću kojeg se proteini transportuju na odgovarajuća odredišta unutar ili izvan ćelije.[1]Proteini mogu biti ciljani na unutrašnji prostor organele, različite unutarćelijske membrane, plazmamembranu ili na vanjski prostor ćelije putem sekrecije.[1] Ovaj proces isporuke usmjeravaju informacije sadržane u samom proteinu.[2] Ispravno sortiranje ključno je za ćeliju; greške ili disfunkcija u sortiranju povezani su s više bolesti.[3][4]

Historija

Günter Blobel, dobitnik Nobelove nagrade za fiziologiju ili medicine 1999. za otkriće da proteini sadrže unutrašnje signalne sekvence.

Godine 1970, Günter Blobel izveo je eksperimente na translokaciji proteina preko membrana. Blobel, tada docent na Rockefeller University, nadovezao se na rad svog kolege Georgee Paladea.[5] Palade je ranije pokazao da su nesekretirani proteini prevedeni slobodnim ribosomima u citosolu, dok su izlučeni proteini (i ciljni proteini, općenito) prevedeni ribosomima vezanim za endoplazmatski retikulum.[5] Objašnjenja kandidata u to vrijeme su postulirala razliku u procesuiranju između slobodnih i ER vezanih ribosoma, ali Blobel je pretpostavio da se ciljanje proteina oslanja na karakteristike inherentne proteinima, a ne na razliku u ribosomima. Podržavajući svoju hipotezu, Blobel je otkrio da mnogi proteini imaju kratku aminokiselinsku sekvencu na jednom kraju koja funkcionira kao poštanski broj koji specificira unutarćelijsko ili vanćelijsko odredište.[2] Opisao je ove kratke sekvence (uglavnom 13 do 36 aminokiselinskih ostataka)[1] kao signalni peptid ili signalne sekvence I za to otkriće dobio je 1999. Nobelovu nagradu za fiziologiju.[6]

Signalni peptidi

Glavni članak: Signalni peptid

Signalni peptidi služe kao ciljani signali, omogućavajući ćelijskoj transportnoj mašineriji da usmjeri proteine na specifične unutar- i vanćelijske lokacije. Iako konsenzusna sekvenca nije identificirana za signalne peptide, mnogi ipak posjeduju karakterističnu trodijelnu strukturu:[1]

  1. Pozitivno nabijena, hidrofilna regija u blizini N-terminala.
  2. Raspon od 10 do 15 hidrofobnih aminokiselina blizu sredine signalnog peptida.
  3. Blago polarna refgija blizu C-terminala, tipsko favorizovanje aminokiselina sa manjim bočnim lancima na pozicijama koje se približavaju mjestu cepanja.

Nakon što protein stigne do svog odredišta, signalni peptid se općenito cijepa signalnom peptidazom.[1] Shodno tome, većina zrelih proteina ne sadrži signalne peptide. Dok se većina signalnih peptida nalazi na N-terminalu, u peroksisomima se ciljana sekvenca nalazi na produžetku C-terminala.[7] Za razliku od signalnih peptida, signalne pjege sastoje se od aminokiselinskih ostataka koji su diskontinuirani u primarnoj sekvenci, ali postaju funkcionalni kada ih savijanje spoji na površini proteina.[8] Za razliku od većine signalnih sekvenci, signalne zakrpe se ne cijepaju nakon završetka sortiranja.[9] Pored unutrašnjih signalnih sekvenci, proteinske modifikacije poput glikozilacija također mogu izazvati ciljanje na specifične unutarćelijske ili vanćelijske regije.

Translokacija proteina

Pošto se translacija iRNK u protein pomoću ribosoma odvija unutar citosola, proteini namijenjeni za lučenje ili specifična organela moraju biti translocirani.[10] Ovaj proces može se dogoditi tokom prevođenja, poznat kao kotranslacijska translokacija, ili nakon što je prijevod završen, poznat kao posttranslacijska translokacija.[11]

Kotranslacijska translokacija

Većina sekretornih proteina i proteina vezanih za membranu su kotranslacijski translocirani. Proteini koji se nalaze u endoplazmatskom retikulumu (ER), Golgijevom aparatu ili endosomu također koriste put kotranslacijske translokacije. Ovaj proces počinje dok se protein sintetizira na ribosomu, kada čestica za prepoznavanje signala (SRP) prepozna N-terminalni signalni peptid proteina u nastajanju.[12] Vezivanje SRP-a privremeno zaustavlja sintezu dok se kompleks ribosom-protein prenosi na SRP receptor na ER u eukariotima i plazmamembranu u prokariotima.[13] Tamo se protein u nastajanju insertira u translokon, membranski vezani kanal za provođenje proteina koji se sastoji od translokacijskog kompleksa Sec61 u eukariota i homolognog kompleksa SecYEG u prokariota.[14] U sekretornim proteinima i tipu I transmembranskih proteina, signalna sekvenca se odmah cijepa od polipeptida u nastajanju, nakon što je translocirana u membranu ER (eukarioti) ili plazmamembranu (prokarioti), pomoću signalne peptidaze. Signalna sekvenca membranskih proteina tipa II i nekih politopskih membranskih proteina se ne odcjepljuju i stoga se nazivaju sekvencama sidrenja signala. Unutar ER-a, protein je najprije prekriven šaperonskim proteinom, kako bi ga zaštitio od visoke koncentracije drugih proteina u ER-u, dajući mu vremena da se ispravno saviju. Jednom presavijen, protein se modificira prema potrebi (naprimjer, glikozilacijom), zatim se transportira u Golgijev aparat na daljnju obradu i ide do svojih ciljnih organela ili se zadržava u ER različitim mehanizmima ER-retencija.

Aminokiselinski lanac transmembranskih proteina, koji su često transmembranski receptori, prolazi kroz membranu jedan ili nekoliko puta. Ovi proteini ubacuju se u membranu translokacijom, sve dok se proces ne prekine sekvencom stop-transfera, koja se također naziva membransko sidro ili sekvenca sidrenog signala.[15] Ovi složeni membranski proteini do sada su karakterizirani korištenjem istog modela ciljanja koji je razvijen za sekrecijske proteine. Međutim, mnogi složeni multitransmembranski proteini sadrže strukturne aspekte koji se ne uklapaju u ovaj model. Sedam transmembranskih receptora vezanih za G-protein (koji predstavljaju oko 5% gena u ljudi) uglavnom nemaju amino-terminalnu signalnu sekvencu. Za razliku od sekretornih proteina, prvi transmembranski domen djeluje kao prva signalna sekvenca, koja ih usmjerava na ER membranu. To također rezultira translokacijom amino terminala proteina u lumen ER membrane. Ova translokacija, koja je demonstrirana s opsinom u eksperimentima in vitro,[16][17] razbija uobičajeni obrazac "kotranslacijske" translokacije koji je oduvijek vrijedio za proteine sisara usmjerenih na ER. Velik dio mehanike transmembranske topologije i savijanja tek treba razjasniti.

Posttranslacijska translokacija

Iako je većina sekretornih proteina kotranslacijski translocirana, neki se prevode u citosolu i kasnije se transportiraju u ER/plazmamembranu, putem posttranslacijskog sistema. Kod prokariota ovaj proces zahtijeva određene kofaktore kao što su SecA i SecB, a olakšavaju ga Sec62 i Sec63, dva proteina vezana na membranu.[18] Kompleks Sec63, koji je ugrađen u ER membranu, uzrokuje hidrolizu ATP-a, dopuštajući šaperonskim proteinima da se vežu na izloženi peptidni lanac i gurnu polipeptid u lumen ER. U lumenu, polipeptidni lanac se može pravilno presavijati. Ovaj se proces događa samo u nesavijenim proteinima koji se nalaze u citosolu.[19]

Osim toga, proteini usmjereni na druga ćelijska odredišta, kao što su mitohondrije, hloroplasti ili peroksisomi, koriste specijalizirane posttranslacijske puteve. Proteini ciljani na jedro također se translociraju posttranslacijsko dodavanjem signala jedarne lokalizacije (NLS) koji podstiče prolaz kroz jedarnu ovojnicu preko jedarnih pora.[20]

Sortiranje proteina

Mitohondrija

Glavni članak: TIM/TOM kompleks

Većina mitohondrijskih proteina sintetizira se kao citosolni prekursori koji sadrže unos peptidnih signala. Citosolni šaperoni isporučuju preproteine do receptora povezanih s kanalima u mitohondrijskoj membrani. Predprotein s predsekvencijom usmjerenom na mitohondrije vezan je receptoriima i općom importnom porom (GIP), zajednički poznatim kao translokaza vanjske membrane (TOM), na vanjskoj membrani. Zatim se translociraju kroz TOM kao ukosnice. Predprotein se prenosi kroz međumembranski prostor malim TIM-ovima (koji također djeluju kao molekulski šaperoni) do TIM23 ili TIM22 (translokaza unutrašnje membrane) na unutarnjoj membrani. Unutar matrice ciljana sekvenca odcjepljuje se pomoću mtHsp70.

Poznata su tri receptora mitohondrijske vanjske membrane:

  1. TOM70: Veže se na unutrašnje ciljane peptide i djeluje kao tačka spajanja za citosolne šaperone.
  2. TOM20: Veže predsekvence.
  3. TOM22: Veže i predsekvence i interne ciljane peptide.

TOM kanal (TOM40) je kanal visoke vodljivosti specifične za katione s molekulskom težinom od 410 kDa i porama promjera od 21Å.

Presekvencijska translokaza23 (TIM23) lokalizirana je na unutrašnjoj mitohondrijskoj membrani i djeluje kao protein koji stvara pore i veže prekursorske proteine sa svojim N-terminalom. TIM23 djeluje kao translokator za pretproteine za mitohondrijski matriks, unutrašnju mitohondrijsku membranu kao i za intermembranski prostor. TIM50 je vezan za TIM23 na unutrašnjoj strani mitohondrija i utvrđeno je da veže presekvence. TIM44 je vezan na strani matrice i pronađeno je da se veže za mtHsp70.
Presekvenca translokaze 22 (TIM22) veže pretproteine isključivo vezane za unutrašnju mitohondrijsku membranu.

Ciljane sekvence mitohondrijskog matriksa bogate su pozitivno nabijenim i hidroksiliranim aminokiselinama.

Proteini su usmjereni na submitohondrijske odjeljke višestrukim signalima i nekoliko putova.

Ciljanje na vanjsku membranu, međumembranski prostor i unutrašnju membranu često zahtijeva još jednu signalnu sekvencu uz matričnu ciljanu sekvencu.

Hloroplasti

Pretprotein za hloroplast može sadržavati stromnu importnu sekvencu ili stromnu i tilakoidnu ciljanu sekvencu. Većina pretproteina prenosi se kroz Toc i Tic komplekse koji se nalaze unutar ovojnice hloroplasta. U stromi se stromna importna sekvenca otcijepi i presavije, a razvrstavanje unutar hloroplasta na tilakoid se nastavlja. Proteini usmjereni na ovojnicu hloroplasta obično nemaju cjepivu sekvencu za sortiranje.

I hloroplasti i mitohondrije

Mnogi proteini su potrebni i u mitohondrijama i u hloroplastima.[21] Općenito, dvostruko ciljani peptid je srednjeg karaktera u odnosu na dva specifična. Ciljani peptidi ovih proteina imaju visok sadržaj baznih i hidrofobnih aminokiselina, nizak sadržaj negativno nabijenih aminokiselina. Imaju manji sadržaj alanina, a veći sadržaj leucina i fenilalanina. Dvostruko ciljani proteini imaju više hidrofobni ciljani peptid nego mitohondrijski i hloroplastni. Međutim, zamorno je predviđati je li peptid dvostruko ciljan ili ne na temelju njegovih fizičkohemijskih karakteristika.

Peroksisomi

Svi peroksisomski proteini su kodirani jedarnim genima.[22] Do danas postoje dva tipa poznatih peroksisomnih ciljajućih signala (PTS):[23]

  1. Peroksizom ciljani signal 1 (PTS1): C-terminalni tripeptid s konsenzusnom sekvencom (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). Najčešći PTS1 je serin-lizin-leucin (SKL). Većina peroksisomskih matriksnih proteina posjeduje signal tipa PTS1.
  2. Peroksisom ciljani signal 2 (PTS2): nenapeptid smješten blizu N-kraja s konsenzusnom sekvencom (R/K)-(L/V/I)-XXXXX-(H/Q)-( L/A/F) (gdje X može biti bilo koja aminokiselina).

Postoje i proteini koji nemaju niti jedan od ovih signala. Njihov se transport može temeljiti na takozvanom „prasac“ mehanizmu ("piggy-back"): takvi se proteini povezuju s proteinima matriksa koji posjeduju PTS1 i zajedno s njima se translociraju u peroksisomni matriks..[24]

Bolesti

Transport proteina je neispravan u sljedećim genetičkim bolestima:

U bakterijama i arhejama

Kao što je gore objašnjeno, većina prokariotskih membranski vezanih i sekretornih proteina ciljana je na plazmamembranu, preko kotranslacijskog puta koji koristi bakterijski SRP ili posttranslacijskog puta, što zahtijeva SecA i SecB. Na plazmamembrani, ova dva puta dostavljaju proteine u SecYEG translokon radi translokacije. Bakterije mogu imati jednu plazmamembranu (Gram-pozitivne bakterije) ili unutrašnju membranu plus vanjsku membranu, odvojenu periplazmom (Gram-negativne bakterije). Osim plazmamembrane, većini prokariota nedostaju organele vezane za membranu kao što se nalaze u eukariota, ali oni mogu sastavljati proteine na različite vrste inkluzija kao što su plinske vezikule i granule za skladištenje.

Gram-negativne bakterije

Glavni članci: Lučenje i Gram-negativna bakterijska sekrecija

Kod Gram-negativnih bakterija, proteini se mogu ugraditi u plazmamembranu, vanjsku membranu, periplazmu ili izlučiti u okoliš. Sistemi za lučenje proteina kroz vanjsku membranu bakterije mogu biti prilično složeni i imju ključnu ulogu u patogenezi. Ovi se sistemi mogu opisati kao sekrecija tipa I, sekrecija tipa II itd.

Gram-pozitivne bakterije

Glavni članci: lučenje i Gram-pozitivna bakterijska sekrecija

U većini Gram-pozitivnih bakterija, određeni proteini su ciljani za eksport kroz plazmamembranu i naknadno kovalentno vezanje na ćelijski zid bakterije. Specijalizirani enzim, sortaza, cijepa ciljni protein na karakterističnom mjestu prepoznavanja u blizini proteina C-kraja, kao što je LPXTG motiv (gdje X može biti bilo koja aminokiselina), zatim prenosi protein na ćelijski zid. Pronađeno je nekoliko analognih sistema koji također imaju motiv potpisa na vancitoplazmatskom licu, C-terminalni transmembranski domen i klaster baznih ostataka na citosolnoj strani na ekstremnom C-terminalu proteina. Sistem PEP-CTERM/egzosortaza, koji se nalazi u mnogim Gram-negativnim bakterijama, čini se da je povezan s proizvodnjom vanćelijske polimerne tvari. Sistem PGF-CTERM/arhaeosortaza A u Archaea povezan je s proizvodnjom S-sloja. Sistem GlyGly-CTERM/rombosortaza, koji se nalazi u rodovima Shewanella, Vibrio i nekoliko drugih, čini se uključen u oslobađanje proteaza, nukleaza i drugih enzima.

Bioinformatički alati

  • Minimotif Miner je bioinformatički alat koji pretražuje upite proteinske sekvence za poznate motive sekvence ciljane proteinske sekvence.
  • Phobius predicts signal peptides based on a supplied primary sequence.
  • SignalP predicts signal peptide cleavage sites.
  • LOCtree Arhivirano 21. 12. 2021. na Wayback Machine predicts the subcellular localization of proteins.

Također pogledajte

Reference

  1. ^ a b c d e Nelson DL (January 2017). Lehninger principles of biochemistry. Cox, Michael M.,, Lehninger, Albert L. (Seventh izd.). New York, NY. ISBN 978-1-4641-2611-6. OCLC 986827885.
  2. ^ a b Blobel G, Dobberstein B (December 1975). "Transfer of proteins across membranes. I. Presence of proteolytically processed and unprocessed nascent immunoglobulin light chains on membrane-bound ribosomes of murine myeloma". The Journal of Cell Biology. 67 (3): 835–51. doi:10.1083/jcb.67.3.835. PMC 2111658. PMID 811671.
  3. ^ Schmidt V, Willnow TE (February 2016). "Protein sorting gone wrong--VPS10P domain receptors in cardiovascular and metabolic diseases". Atherosclerosis. 245: 194–9. doi:10.1016/j.atherosclerosis.2015.11.027. PMID 26724530.
  4. ^ Guo Y, Sirkis DW, Schekman R (2014-10-11). "Protein sorting at the trans-Golgi network". Annual Review of Cell and Developmental Biology. 30 (1): 169–206. doi:10.1146/annurev-cellbio-100913-013012. PMID 25150009.
  5. ^ a b Leslie M (August 2005). "Lost in translation: the signal hypothesis". The Journal of Cell Biology. 170 (3): 338. doi:10.1083/jcb1703fta1. PMC 2254867. PMID 16167405.
  6. ^ "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1999". NobelPrize.org (jezik: engleski). Pristupljeno 2020-09-19.
  7. ^ Wanders RJ (May 2004). "Metabolic and molecular basis of peroxisomal disorders: a review". American Journal of Medical Genetics. Part A. 126A (4): 355–75. doi:10.1002/ajmg.a.20661. PMID 15098234. S2CID 24025032.
  8. ^ Moreira IS, Fernandes PA, Ramos MJ (September 2007). "Hot spots--a review of the protein-protein interface determinant amino-acid residues". Proteins. 68 (4): 803–12. doi:10.1002/prot.21396. PMID 17546660. S2CID 18578313.
  9. ^ Pfeffer SR, Rothman JE (1987-06-01). "Biosynthetic protein transport and sorting by the endoplasmic reticulum and Golgi". Annual Review of Biochemistry. 56 (1): 829–52. doi:10.1146/annurev.bi.56.070187.004145. PMID 3304148.
  10. ^ Sommer MS, Schleiff E (August 2014). "Protein targeting and transport as a necessary consequence of increased cellular complexity". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 6 (8): a016055. doi:10.1101/cshperspect.a016055. PMC 4107987. PMID 25085907.
  11. ^ Walter P, Ibrahimi I, Blobel G (November 1981). "Translocation of proteins across the endoplasmic reticulum. I. Signal recognition protein (SRP) binds to in-vitro-assembled polysomes synthesizing secretory protein". The Journal of Cell Biology. 91 (2 Pt 1): 545–50. doi:10.1083/jcb.91.2.545. PMC 2111968. PMID 7309795.
  12. ^ Voorhees RM, Hegde RS (August 2016). "Toward a structural understanding of co-translational protein translocation". Current Opinion in Cell Biology. 41: 91–9. doi:10.1016/j.ceb.2016.04.009. PMID 27155805.
  13. ^ Nyathi Y, Wilkinson BM, Pool MR (November 2013). "Co-translational targeting and translocation of proteins to the endoplasmic reticulum". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research. 1833 (11): 2392–402. doi:10.1016/j.bbamcr.2013.02.021. PMID 23481039.
  14. ^ Mandon EC, Trueman SF, Gilmore R (August 2009). "Translocation of proteins through the Sec61 and SecYEG channels". Current Opinion in Cell Biology. 21 (4): 501–7. doi:10.1016/j.ceb.2009.04.010. PMC 2916700. PMID 19450960.
  15. ^ Alberts (November 2018). Essential cell biology (Fifth izd.). New York. ISBN 978-0-393-67953-3. OCLC 1048014962.
  16. ^ Kanner EM, Friedlander M, Simon SM. (2003). "Co-translational targeting and translocation of the amino terminus of opsin across the endoplasmic membrane requires GTP but not ATP". J. Biol. Chem. 278 (10): 7920–7926. doi:10.1074/jbc.M207462200. PubMed.
  17. ^ Kanner EM, Klein IK. et al. (2002). "The amino terminus of opsin translocates "posttranslationally" as efficiently as cotranslationally". Biochemistry 41 (24): 7707–7715. doi:10.1021/bi0256882. PubMed.
  18. ^ Rapoport TA (November 2007). "Protein translocation across the eukaryotic endoplasmic reticulum and bacterial plasma membranes". Nature. 450 (7170): 663–9. Bibcode:2007Natur.450..663R. doi:10.1038/nature06384. PMID 18046402. S2CID 2497138.
  19. ^ Lodish H, Berk A, Kaiser C, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Martin K (2008). Molecular Cell Biology (8th izd.). New York: W.H. Freeman and Company. str. 591–592. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  20. ^ Lange A, Mills RE, Lange CJ, Stewart M, Devine SE, Corbett AH (February 2007). "Classical nuclear localization signals: definition, function, and interaction with importin alpha". The Journal of Biological Chemistry. 282 (8): 5101–5. doi:10.1074/jbc.R600026200. PMC 4502416. PMID 17170104.
  21. ^ Sharma M, Bennewitz B, Klösgen RB (December 2018). "Rather rule than exception? How to evaluate the relevance of dual protein targeting to mitochondria and chloroplasts". Photosynthesis Research. 138 (3): 335–343. doi:10.1007/s11120-018-0543-7. PMID 29946965. S2CID 49427254.
  22. ^ Encyclopedia of biological chemistry. Lennarz, William J.,, Lane, M. Daniel (Second izd.). London. 8 January 2013. ISBN 978-0-12-378631-9. OCLC 828743403.CS1 održavanje: others (link)
  23. ^ Baerends RJ, Faber KN, Kiel JA, van der Klei IJ, Harder W, Veenhuis M (July 2000). "Sorting and function of peroxisomal membrane proteins" (PDF). FEMS Microbiology Reviews. 24 (3): 291–301. doi:10.1111/j.1574-6976.2000.tb00543.x. PMID 10841974.
  24. ^ Saryi NA, Hutchinson JD, Al-Hejjaj MY, Sedelnikova S, Baker P, Hettema EH (February 2017). "Pnc1 piggy-back import into peroxisomes relies on Gpd1 homodimerisation". Scientific Reports. 7 (1): 42579. Bibcode:2017NatSR...742579S. doi:10.1038/srep42579. PMC 5314374. PMID 28209961.
  25. ^ MacLeod DA, Rhinn H, Kuwahara T, Zolin A, Di Paolo G, McCabe BD, et al. (February 2013). "RAB7L1 interacts with LRRK2 to modify intraneuronal protein sorting and Parkinson's disease risk". Neuron. 77 (3): 425–39. doi:10.1016/j.neuron.2012.11.033. PMC 3646583. PMID 23395371.
  26. ^ Schmidt V, Willnow TE (February 2016). "Protein sorting gone wrong--VPS10P domain receptors in cardiovascular and metabolic diseases". Atherosclerosis. 245: 194–9. doi:10.1016/j.atherosclerosis.2015.11.027. PMID 26724530.

Vanjski linkovi