Intracellulær proteinsortering ( eng. proteinsortering, protein targeting ) er processerne med mærkning og efterfølgende transport af proteiner i levende celler, som fører til, at proteiner trænger ind i visse rum i cellen.
Proteiner syntetiseret i cytoplasmaet på ribosomer skal trænge ind i forskellige celle- rum - kernen , mitokondrier , endoplasmatisk retikulum (ER), Golgi-apparat , lysosomer og andre[ hvad? ] , og nogle proteiner skal nå den ydre membran eller det ekstracellulære miljø. For at komme ind i et bestemt rum skal et protein have en specifik etiket. I de fleste tilfælde er et sådant mærke en del af aminosyresekvensen af selve proteinet (lederpeptid eller proteinsignalsekvens ). I nogle tilfælde tjener oligosaccharider post-translationelt bundet til proteinet som et mærke.
Transporten af proteiner ind i ER udføres efterhånden som de syntetiseres, da de ribosomer, der syntetiserer proteiner med en signalsekvens for ER, "sætter sig" på specielle translokationskomplekser på ER-membranen. Signalsekvensen for EPR omfatter sædvanligvis 5-10 overvejende hydrofobe aminosyrer og er lokaliseret ved proteinets N-terminale ende. I dens fjerntliggende del er der en konsensussekvens, der genkendes af en specifik protease. Denne signalsekvens genkendes af et særligt kompleks - "signalgenkendelsespartikelen" (signalgenkendelsespartikel, SRP). SRP består af seks proteiner og et kort 7SL RNA- molekyle [1] . En sektion af SRP'et binder signalsekvensen, mens den anden binder til ribosomet og blokerer translation. Et separat SRP-domæne er ansvarligt for binding til SRP-receptoren på ER-membranen.
Sammen med SRP bevæger ribosomet sig til ER og binder sig til SRP-receptoren (integral protein) på den cytosoliske side af ER-membranen. Dette kompleks (ribosom - SRP - SRP-receptor) binder til en pore - en proteintranslokator på ER-membranen. Normalt er flere ribosomer forbundet med mRNA, og polyribosomer sidder på ER-membranen, hvor hvert ribosom er knyttet til sin egen pore. Efter at have nået 3'-enden af mRNA'et vender ribosomet tilbage til cytoplasmaet, men mRNA'et tilbageholdes ved ER-membranen på grund af det faktum, at nye ribosomer bundet til SRP er knyttet til dets 5'-ende.
Efter binding til translokatoren løsnes SRP-SRP-receptorkomplekset fra ribosomet, og dette fører til genoptagelse af translationen. Det er nu blevet bevist, at proteinet, når det translateres, kommer ind i ER gennem translokatorens vandkanal, som har en gate-mekanisme og dannes i eukaryoter af fire underenheder af Sec61-komplekset (homologe proteiner findes også på bakterielle cellemembraner).
Efter genoptagelsen af translationen forbliver den hydrofobe region af signalsekvensen forbundet med translokatoren, og det nysyntetiserede protein i form af en loop skubbes ind i ER. Denne proces kræver ikke yderligere forbrug af ATP-energi. Efter at C-terminalen af proteinet adskilles fra ribosomet og befinder sig inde i ER, afskærer signalpeptidproteasen det fra proteinet. Proteinet inde i ER-foldene får en normal konformation, og signalpeptidet bevæger sig gennem den laterale kanal, der åbnes i translokatoren, til lipid-dobbeltlaget i ER-membranen, hvor det hurtigt nedbrydes af proteaser.
Et protein, der er kommet ind i ER, forbliver i denne organel, hvis det har en speciel ER-bevarende sekvens på fire aminosyrer i C-terminalen. Nogle af de resterende proteiner i ER spiller en vigtig rolle i foldningen og post-translationel modifikation af proteiner, der passerer gennem ER. Enzymet disulfide-isomerase katalyserer således oxidationen af frie SH-grupper af cystein og dannelsen af disulfidbindinger, mens BiP-chaperonproteinet forhindrer forkert foldning og aggregering af proteiner, indtil de danner kvartære strukturer, og fremmer også tilbageholdelsen af proteiner forbundet med det på skadestuen.
En lignende, men mere kompleks mekanisme giver co -translationel inkorporering af transmembranproteiner i ER-membranen.
Der er også post-translationel transport af proteiner til ER (mere almindeligt i gær), hvor et fuldt syntetiseret protein binder til chaperoner i cytosolen og derefter overføres til ER via en translokator med deltagelse af chaperoner af Hsp70-familien . Denne type transport er ATP-afhængig. Til transport af peptider (hovedsageligt 8-16 aminosyrer lange) fra cytosolen til ER for deres efterfølgende præsentation i kombination med MHC-I-molekyler er der en speciel translokator, TAP-proteinet.
Fra EPR til Golgi-apparatet (AG) og derfra til lysosomerne, til den ydre membran eller til det ekstracellulære miljø kommer proteiner ind ved vesikulær transport . De fleste af de proteiner, der er kommet ind i ER-hulrummet, glykosyleres ved hjælp af et standard-oligosaccharid, hvis syntese udføres på membranerne i det ru ER. Det syntetiserede oligosaccharid er pyrophosphat bundet til lipidet dolichol, som forankrer det i membranen, og overføres til sideaminogruppen af asparagin af enzymet oligosaccharyltransferase. Den korrekte foldning af proteiner afhænger af tilstedeværelsen af dette oligosaccharidmærke, da calciumafhængige chaperoner calnexin og calreticulin (som begge er lectiner ) er knyttet til det (efter dets modifikation ); de bevarer ufuldstændigt foldede proteiner i ER og sikrer deres interaktion med andre chaperoner. Hvis proteinet ikke har foldet ordentligt i nogen tid, bliver det retranslokeret tilbage til cytosolen, frataget oligosaccharidet, ubiquitinyleret og nedbrudt i proteasomerne . Hvis proteinet er foldet korrekt, kan det bevæge sig ind i AG eller forblive i ER.
Proteiner trænger ind fra ER ind i AG inden for de afgrænsede membranvesikler, hvis kappe er dannet af COP-II-proteinet. Alle korrekt foldede proteiner falder "som standard" ind i sådanne vesikler og flytter til AG, og derefter vender nogle af dem tilbage til ER. Proteiner med specielle signalmærker er dog koncentreret i transportvesikler, mens proteiner uden sådanne mærker kommer dertil i små mængder. Vesiklerne, der er adskilt fra ER, efter at have mistet deres membraner, smelter sammen i tubulære-vesikulære klynger, som ved hjælp af motoriske proteiner bevæger sig langs mikrotubulierne til AG. Fra disse klynger (såvel som fra cis-Golgi) adskilles vesikler klædt med COP-I-proteinet, hvilket giver den omvendte transport af residente proteiner ind i ER. Returen af proteiner til ER tilvejebringes af en kort signalsekvens ved deres C-terminal, som binder enten direkte til COP-I (for membranproteiner) eller til en specifik receptor, der interagerer med COP-I (for opløselige proteiner). Proteiner, der mangler disse sekvenser, forbliver fortrinsvis i AG.
Inde i vesiklerne bevæger proteiner sig gradvist fra cis-Golgi til trans-Golgi. Når proteinerne bevæger sig inde i AG, modificerer glycosyltransferase-enzymer deres oligosaccharid-"mærker". Ved hjælp af sådanne enzymer i AG syntetiseres glycoproteiner - muciner og proteoglycaner.
Membranproteiner og fordøjelsesenzymer fra lysosomer rejser fra trans-Golgi i clathrin -coatede vesikler til det tidlige endosom og derfra til lysosomet . For at lysosomale enzymer (syrehydrolaser ) kan trænge ind i lysosomer, skal de have et særligt mærke - mannose-6-phosphatrester i enderne af oligosaccharidkæder. Dette mærke påføres i to trin. Først i cis-Golgi binder enzymet N-acetylglucosamin phosphotransferase N-acetylglucosamin phosphatrester til oligosaccharider, og derefter i trans-Golgi spalter det andet enzym N-acetylglucosamin. Mærket påføres de proteiner, der har specifikke træk ved den tertiære struktur - "signaltuberkel" (signalplaster). Derefter genkendes mannose-6-phosphater af en specifik membranreceptor, hvortil hydrolaser er knyttet. I endosomer, med et fald i pH, adskilles hydrolaser fra receptorer, som, som en del af specielle vesikler, leveres tilbage til AG.
Mutationer i N-acetylglucosamin-phosphotransferasegenet fører til udviklingen af en alvorlig form for mucopolysaccharidosis , en I-cellesygdom, hvor alle lysosomenzymer udskilles i det ekstracellulære miljø.
Transport af proteiner fra det ydre miljø til lysosomerSelv normalt frigives en del af de lysosomale enzymer fra cellen, og en del af lysosomernes membranproteiner kommer ind i dens ydre membran. Fra det ekstracellulære miljø kan lysosomale enzymer optages ved endocytose og afgives til lysosomer (se [2] ).
Transport af proteiner fra cytoplasma til lysosomerUd over vesikulær transport fra AG er der en anden måde at transportere proteiner ind i lysosomer på. Under chaperone-medieret autofagi transporteres således delvist denaturerede proteiner fra cytoplasmaet gennem lysosommembranen ind i dets hulrum, hvor de fordøjes. Denne type autofagi, der kun beskrives hos pattedyr, er induceret af stress. Det sker med deltagelse af cytoplasmatiske chaperonproteiner fra hsp-70-familien, hjælpeproteiner og LAMP-2, der tjener som en membranreceptor for chaperonens kompleks og proteinet, der skal transporteres ind i lysosomet. I antigenpræsenterende celler (f.eks. dendritiske celler ) kan transport af peptider præsenteret i kompleks med MHC-II ske direkte ind i lysosomer via TAPL-translokatorproteinet.
Proteiner kommer ind i kernen gennem nukleare porer . Op til 500 makromolekyler kan samtidig transporteres gennem den nukleare pore i begge retninger. Proteiner (peptider) med en molekylvægt på op til 5000 dalton diffunderer frit gennem nukleare porer. Ved passiv transport (diffusion) kan proteiner med en molekylvægt på op til 60.000 dalton trænge gennem porerne.
Større proteiner transporteres aktivt ind i kernen (med energiforbrug). For at bevæge sig ind i kernen skal sådanne proteiner indeholde en bestemt aminosyresekvens - et nuklear lokaliseringssignal . Transportfaktorer, karyopheriner (importiner), er bundet til denne sekvens enten direkte eller ved hjælp af adapterproteiner. Karyopheriner binder sig også til komponenterne i nukleare porer. Energien til transport leveres af hydrolysen af GTP af den lille monomere GTPase Ran. I cytoplasmaet er Ran i den form, der er forbundet med GDP, da Ran-GAP-proteinerne (aktivatorer af Rans GTPase-aktivitet) er lokaliseret i cytoplasmaet, og i kernen er Ran i den form, der er forbundet med GTP, da protein, der sikrer, at udvekslingen af GDP er lokaliseret i kernen på GTF. Ran-GTP, ved at binde sig til det "ladede" karyopherin på indersiden af kerneporen, sikrer dets aflæsning. Receptoren med tilknyttet Ran-GTP kommer derefter ind i cytoplasmaet, hvor GAP-proteinet forårsager hydrolyse af GTP og adskillelse af Ran-GDP fra karyopherin.
En lignende mekanisme sikrer eksport af proteiner fra kernen, kun disse proteiner skal have en anden signalsekvens - et signal til eksport fra kernen, som eksportiner binder til.
Proteiner med de tilsvarende signalsekvenser trænger ind i mitokondrier og kloroplaster gennem specifikke proteintranslokatorporer med deltagelse af chaperoner .