Intracellulär proteinsortering ( eng. proteinsortering, protein targeting ) är processerna för märkning och efterföljande transport av proteiner i levande celler, vilket leder till att proteiner tränger in i vissa fack i cellen.
Proteiner som syntetiseras i cytoplasman på ribosomer måste komma in i olika cellkompartment - kärnan , mitokondrierna , endoplasmatiskt retikulum (ER), Golgi-apparater , lysosomer och andra[ vad? ] och vissa proteiner måste nå det yttre membranet eller den extracellulära miljön. För att komma in i ett visst fack måste ett protein ha en specifik märkning. I de flesta fall är en sådan märkning en del av aminosyrasekvensen för själva proteinet (ledarpeptid eller proteinsignalsekvens ). I vissa fall tjänar oligosackarider post-translationellt fästa till proteinet som en märkning.
Transporten av proteiner in i ER sker när de syntetiseras, eftersom ribosomerna som syntetiserar proteiner med en signalsekvens för ER "sätter sig" på speciella translokationskomplex på ER-membranet. Signalsekvensen för EPR inkluderar vanligtvis 5-10 övervägande hydrofoba aminosyror och är belägen vid proteinets N-terminal. I dess avlägsna del finns en konsensussekvens som känns igen av ett specifikt proteas. Denna signalsekvens känns igen av ett speciellt komplex - "signaligenkänningspartikeln" (signaligenkänningspartikel, SRP). SRP består av sex proteiner och en kort 7SL RNA- molekyl [1] . En sektion av SRP binder signalsekvensen, medan den andra binder till ribosomen och blockerar translation. En separat SRP-domän är ansvarig för bindning till SRP-receptorn på ER-membranet.
Tillsammans med SRP flyttar ribosomen till ER och binder till SRP-receptorn (integralprotein) på den cytosoliska sidan av ER-membranet. Detta komplex (ribosom - SRP - SRP-receptor) binder till en por - en proteintranslokator på ER-membranet. Vanligtvis är flera ribosomer associerade med mRNA, och polyribosomer sitter på ER-membranet, med varje ribosom fäst vid sin egen por. Efter att ha nått 3'-änden av mRNA:t återgår ribosomen till cytoplasman, men mRNA:t hålls kvar vid ER-membranet på grund av det faktum att nya ribosomer bundna till SRP är fästa vid dess 5'-ände.
Efter bindning till translokatorn lossnar SRP-SRP-receptorkomplexet från ribosomen och detta leder till att translationen återupptas. Det har nu bevisats att proteinet, när det översätts, kommer in i ER genom translokatorns vattenkanal, som har en grindmekanism och bildas i eukaryoter av fyra subenheter av Sec61-komplexet (homologa proteiner finns också på bakteriell cellmembran).
Efter återupptagandet av translationen förblir den hydrofoba regionen av signalsekvensen associerad med translokatorn, och det nysyntetiserade proteinet i form av en loop skjuts in i ER. Denna process kräver inte ytterligare utgifter för ATP-energi. Efter att proteinets C-terminal separeras från ribosomen och befinner sig inuti ER, skär signalpeptidproteaset bort det från proteinet. Proteinet inuti ER-vecken, får en normal konformation, och signalpeptiden rör sig genom den laterala kanalen som öppnas i translokatorn till lipiddubbelskiktet i ER-membranet, där den snabbt bryts ned av proteaser.
Ett protein som har kommit in i ER finns kvar i denna organell om det har en speciell ER-bevarande sekvens av fyra aminosyror vid C-terminalen. Några av de återstående proteinerna i ER spelar en viktig roll i veckningen och posttranslationell modifiering av proteiner som passerar genom ER. Således katalyserar enzymet disulfid-isomeras oxidationen av fria SH-grupper av cystein och bildandet av disulfidbindningar, medan BiP-chaperoneproteinet förhindrar felaktig veckning och aggregering av proteiner tills de bildar kvartära strukturer, och främjar också retentionen av proteiner som är associerade med det på akuten.
En liknande men mer komplex mekanism ger co -translationell inkorporering av transmembranproteiner i ER-membranet.
Det finns också post-translationell transport av proteiner in i ER (vanligare i jäst), där ett helt syntetiserat protein binder till chaperoner i cytosolen och sedan överförs till ER via en translokator med deltagande av chaperoner från Hsp70-familjen. . Denna typ av transport är ATP-beroende. För transport av peptider (främst 8–16 aminosyror långa) från cytosolen till ER för deras efterföljande presentation i kombination med MHC-I-molekyler, finns det en speciell translokator, TAP-proteinet.
Från EPR till Golgi-apparaten (AG), och därifrån till lysosomerna, till det yttre membranet eller till den extracellulära miljön, kommer proteiner in genom vesikulär transport . De flesta av de proteiner som har kommit in i ER-hålan glykosyleras med en standardoligosackarid, vars syntes utförs på membranen i den grova ER. Den syntetiserade oligosackariden är pyrofosfat bunden till lipiden dolichol, som förankrar den i membranet, och överförs till sidoaminogruppen av asparagin av enzymet oligosackaryltransferas. Den korrekta veckningen av proteiner beror på närvaron av denna oligosackaridmärkning, eftersom kalciumberoende chaperoner calnexin och calreticulin (som båda är lektiner ) är fästa vid den (efter dess modifiering ); de behåller ofullständigt vikta proteiner i ER och säkerställer deras interaktion med andra chaperones. Om proteinet inte har veckats ordentligt under en tid, omflyttas det tillbaka till cytosolen, berövas oligosackariden, ubiquitinyleras och bryts ned i proteasomerna . Om proteinet viks korrekt kan det flytta in i AG eller förbli i ER.
Proteiner kommer in från ER in i AG inom de kantade membranvesiklerna, vars hölje bildas av COP-II-proteinet. Alla korrekt vikta proteiner faller in i sådana vesiklar "som standard" och flyttar till AG, och sedan återvänder några av dem till akuten. Proteiner med speciella signalmärkningar är dock koncentrerade i transportvesiklar, medan proteiner utan sådana märkningar kommer dit i små mängder. De vesiklar som separerats från ER, efter att ha förlorat sina membran, smälter samman i tubulära-vesikulära kluster, som med hjälp av motorproteiner rör sig längs mikrotubulierna till AG. Från dessa kluster (liksom från cis-Golgi) separeras vesiklar klädda med COP-I-proteinet, vilket ger den omvända transporten av inhemska proteiner in i ER. Återgången av proteiner till ER tillhandahålls av en kort signalsekvens vid deras C-terminal, som binder antingen direkt till COP-I (för membranproteiner) eller till en specifik receptor som interagerar med COP-I (för lösliga proteiner). Proteiner som saknar dessa sekvenser förblir företrädesvis i AG.
Inuti vesiklarna flyttar proteiner gradvis från cis-Golgi till trans-Golgi. När proteinerna rör sig inuti AG modifierar glykosyltransferasenzymer sina oligosackarid-"märken". Med hjälp av sådana enzymer i AG syntetiseras glykoproteiner - muciner och proteoglykaner.
Membranproteiner och matsmältningsenzymer från lysosomer färdas från trans-Golgi i clathrin -belagda vesiklar till den tidiga endosomen och därifrån till lysosomen . För att lysosomala enzymer (syrahydrolaser ) ska komma in i lysosomer måste de ha en speciell märkning - mannos-6-fosfatrester i ändarna av oligosackaridkedjor. Detta märke appliceras i två steg. Först, i cis-Golgi, binder enzymet N-acetylglukosamin fosfotransferas N-acetylglukosamin fosfatrester till oligosackarider, och sedan i trans-Golgi, klyver det andra enzymet av N-acetylglukosamin. Märkningen appliceras på de proteiner som har specifika egenskaper hos den tertiära strukturen - "signaltuberkeln" (signalplåster). Då känns mannos-6-fosfater igen av en specifik membranreceptor, till vilken hydrolaser är fästa. I endosomer, med en minskning av pH, separeras hydrolaser från receptorer, som, som en del av speciella vesiklar, levereras tillbaka till AG.
Mutationer i N-acetylglukosamin fosfotransferasgenen leder till utvecklingen av en allvarlig form av mukopolysackaridos , en I-cellssjukdom där alla lysosomenzymer utsöndras i den extracellulära miljön.
Transport av proteiner från den yttre miljön till lysosomerÄven normalt frigörs en del av de lysosomala enzymerna från cellen, och en del av membranproteinerna i lysosomer kommer in i dess yttre membran. Från den extracellulära miljön kan lysosomala enzymer tas upp av endocytos och levereras till lysosomer (se [2] ).
Transport av proteiner från cytoplasma till lysosomerFörutom vesikulär transport från AG finns det ett annat sätt att transportera proteiner till lysosomer. Sålunda, under chaperone-medierad autofagi , transporteras delvis denaturerade proteiner från cytoplasman genom lysosommembranet in i dess hålighet, där de smälts. Denna typ av autofagi, som endast beskrivs hos däggdjur, induceras av stress. Det sker med deltagande av cytoplasmatiska chaperonproteiner från hsp-70-familjen, hjälpproteiner och LAMP-2, som fungerar som en membranreceptor för komplexet av chaperonen och proteinet som ska transporteras in i lysosomen. I antigenpresenterande celler (t.ex. dendritiska celler ) kan transport av peptider som presenteras i komplex med MHC-II ske direkt in i lysosomer via TAPL-translokatorproteinet.
Proteiner kommer in i kärnan genom kärnporer . Upp till 500 makromolekyler kan samtidigt transporteras genom kärnporen i båda riktningarna. Proteiner (peptider) med en molekylvikt på upp till 5000 dalton diffunderar fritt genom kärnporer. Genom passiv transport (diffusion) kan proteiner med en molekylvikt på upp till 60 000 dalton tränga igenom porerna.
Större proteiner transporteras aktivt in i kärnan (med energiförbrukning). För att flytta in i kärnan måste sådana proteiner innehålla en viss aminosyrasekvens - en nukleär lokaliseringssignal . Transportfaktorer, karyoferiner (importiner), är bundna till denna sekvens antingen direkt eller med hjälp av adapterproteiner. Karyoferiner binder också till komponenterna i kärnporer. Energin för transport tillhandahålls av hydrolysen av GTP av det lilla monomera GTPase Ran. I cytoplasman är Ran i formen associerad med GDP, eftersom Ran-GAP-proteinerna (aktivatorer av GTPas-aktiviteten hos Ran) är lokaliserade i cytoplasman, och i kärnan är Ran i formen associerad med GTP, eftersom protein som säkerställer att utbytet av GDP är lokaliserat i kärnan på GTF. Ran-GTP, genom att binda till det "laddade" karyoferinet på insidan av kärnporen, säkerställer dess avlastning. Receptorn med fäst Ran-GTP går sedan in i cytoplasman, där GAP-proteinet orsakar hydrolys av GTP och separation av Ran-GDP från karyoferin.
En liknande mekanism säkerställer export av proteiner från kärnan, bara dessa proteiner måste ha en annan signalsekvens - en signal för export från kärnan, till vilken exportiner binder.
Proteiner med motsvarande signalsekvenser kommer in i mitokondrier och kloroplaster genom specifika proteintranslokatorporer med deltagande av chaperoner .