第8章--蛋白质分选与膜泡运输

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）Copyright©高等教育出版社2011第8章蛋白质分选与膜泡运输本章主要内容•细胞内蛋白质分选•细胞内膜泡运输üdhofPrizemotivation:fortheirdiscoveriesofmachineryregulatingvesicletraffic,amajortransportsysteminourcells2013NobelPrizeinPhysiologyandMedicine细胞内囊泡交通的运行与调节机制细胞内囊泡交通的运行与调节机制•生物体内每一个细胞都是一个生产和运输分子的工厂。比如，胰岛素在这里被制造出来并释放进入血液当中，以及神经传递素从一个神经细胞传导至另一个细胞。这些分子在细胞内都是以“小包”的形式传递的，即细胞囊泡。这三位获奖科学家发现了这些“小包”是如何被在正确的时间输运至正确地点的分子机制。获奖科学家简历JamesE.Rothman，1950年出生于美国马萨诸塞州Haverhill，他于1976年在哈佛大学医学院获得博士学位，随后在麻省理工学院做博士后研究工作。1978年Rothman前往加州的斯坦福大学，并在那里开始进行针对细胞囊泡的研究工作。Rothman还曾经在普林斯顿大学以及纪念斯隆-凯特林癌症研究所和哥伦比亚大学工作过。2008年，他开始在耶鲁大学任职，目前是耶鲁大学细胞生物学系系主任和教授。RandyW.Schekman，1948年生于美国明尼苏达州StPaul，曾先后在加州大学洛杉矶分校以及斯坦福大学求学，并于1974年获得博士学位，指导老师为ArthurKornberg，后者是1959年度诺贝尔奖获得者。1976年，Schekman前往加州大学伯克利分校任职，目前他仍然是该校分子与细胞生物学系教授。同时Schekman也是霍华德休斯医学研究所研究员。ThomasC.Südhof，1955年生于德国哥廷根。他在哥廷根大学求学并于1982年获得硕士学位，同年获得该校神经化学博士学位。1983年他前往美国达拉斯的德州大学西南医学研究中心开展博士后研究，其导师是MichaelBrown和JosephGoldstein，他们是1985年度诺贝尔生理学与医学奖得主。Südhof在1991年成为霍华德休斯医学研究所研究员，并在2008年开始担任斯坦福大学分子与细胞生理学教授。生物体内细胞的正常运转有赖于让合适的分子在合适的时间抵达合适的位置。一部分分子，如胰岛素，需要被转运出细胞之外，而其他分子则需要被在细胞内部进行运输。细胞内部产生的分子被包裹于囊泡之中（图中蓝色表示），但是这些囊泡具体是如何达成这种精准的运输的？这一点一直没有被理解。研究背景RandyW.Schekman发现基因控制下的蛋白质在这种囊泡运输机制中起到重要作用。正如这里的图上所展示的那样，通过对比正常酵母菌细胞（左）和转运机制缺陷的细胞（右），他成功识别出操控这一转运过程的基因。具体发现JamesE.Rothman发现一种蛋白质化合物（图中橘色表示）可以让囊泡实现与目标细胞膜的融合。囊泡上的蛋白质物质会与目标细胞膜上的特定蛋白质之间发生结合，从而让囊泡可以在正确的位置上释放其所运载的特殊“分子货物”。ThomasC.Südhof研究了大脑中神经细胞之间是如何互相传递信号的，以及钙离子在这一过程中所起的作用。他识别出一种分子机制（图中用紫色表示），其可以对进入的钙离子发生反应并触发囊泡融合，从而解释了囊泡输运机制中时间的精确性是如何达成的，以及其所携带的信号分子物质是如何能做到受控释放。今年的3位诺奖获奖科学家发现了细胞生理学过程中的一项关键过程。他们的工作揭示了细胞内部和外部的输运体系是如何达成时间与位置上的精确性的。在细胞中，不管是酵母菌还是人类，不管高等生物还是低等生物，它们体内的囊泡输运以及细胞膜融合机制都遵循相同的基本原理。这一体系对于一系列的生理过程而言都至关重要，从大脑信号的传递，到荷尔蒙的释放，再到免疫细胞活素。但当发生疾病时，细胞内的囊泡输运机制会出现问题，这当中包括一些神经系统和免疫系统疾病。离开这一堪称完美的控制机制，细胞将陷于混乱。囊泡输运机制与疾病过程第一节细胞内蛋白质的分选真核细胞中绝大多数蛋白质都是由核基因编码，在游离核糖体上起始合成一、信号假说与蛋白质分选信号1999年诺贝尔生理学或医学奖发现蛋白质由内部信号决定其在细胞内的转移和定位1975年Blobel和sabatini等提出了信号假说（signalhypothesis），即分泌性蛋白N端作为序列信号肽（signalsequence或signalpeptide），指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，在蛋白合成结束前信号肽被切除。信号识别颗粒(SRP)和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（停泊蛋白,DP）等因子协助完成这一过程。1.信号假说信号肽（signalpeptide）信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP）信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白，dockingprotein，DP）（1）信号肽（signalpeptide）•位于蛋白质的N端，一般由16～26个残基组成•包括疏水核心区、信号肽的C端和N端等3部分•原核细胞某些分泌性蛋白的N端也具有信号序列信号肽的一级结构序列信号肽（signalpeptide）：引导新合成的肽链转移到内质网上合成的信号序列称为信号肽，位于新合成肽链的N端，一般16-26个氨基酸残基，含有6-15个连续排列的带正电荷的非极性氨基酸，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端三部分。由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列（starttransfersequence）；信号肽没有严格的专一性，目前尚未发现共同的信号序列。旦赖--------色缬苏笨异丝丝亮亮笨亮笨----丝丝丙络丝------蛋白质N-端的信号肽信号肽似乎没有严格的专一性信号肽与信号斑信号斑（signalpatch）：存在于完成折叠的蛋白质中，构成信号斑的信号序列之间可以不相邻，折叠在一起构成蛋白质分选的信号。一些典型的分选信号功能信号序列输入细胞核-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-脯-脯-赖-赖-赖-精-赖-缬输出细胞核-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-输入线粒体+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-输入质体+H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-Leu-Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu-Gln-Gly-输入过氧化物酶体-Ser-Lys-Leu-COO-输入内质网+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-返回内质网-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL）由质膜到内体Tyr-X-X-Φ（2）信号识别颗粒（SRP）•由6种不同的蛋白质和一个由300个核苷酸组成的7SRNA结合组成的一种核糖核蛋白复合体分泌性蛋白N端序列为信号肽，指导分泌蛋白到内质网上合成，在蛋白合成结束之前信号肽被切除。信号识别颗粒和内质网膜上的信号识别颗粒的受体（停泊蛋白）等因子协助完成这一过程。信号识别颗粒的受体信号识别颗粒蛋白质翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系•体外非细胞系统（cellfreesystem）进行蛋白质合成实验，证实分泌性蛋白向rER（微粒体）腔内的转运是同蛋白质翻译过程偶联进行的，这种分泌蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运（cotranslationaltranslocation）（3）分泌性蛋白的合成与其共翻译转运分泌性蛋白的合成与其跨越内质网膜的共翻译转运图解图示信号肽、SRP、DP及移位子之间的相互作用31内质网腔细胞质SRP受体信号识别颗粒(SRP)核糖体结合蛋白tRNAAP核糖体mRNA信号肽A（4）膜整合蛋白的信号序列•开始转移序列（starttransfersequence）•内在停止转移锚定序列（internalstop-transferanchorsequence,STA）•内在信号锚定序列（internalsignalanchorsequence,SA）p139内质网膜整合蛋白的拓扑学类型信号假说•蛋白质的合成都是起始于细胞质基质中的核糖体，但是向细胞外分泌的蛋白等在合成开始不久后便转在内质网上合成。C.Milstein1972发现从骨髓瘤细胞提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到细胞外的N端多出一段。G.Blobel和D.Sabatini等根据进一步的实验，提出了信号假说（Signalhypothesis），认为蛋白质上的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成。•蛋白质转入内质网合成至少涉及5种成分：①信号肽（signalpeptide），是引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于新合成肽链的N端，一般16~30个氨基酸残基，由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列（starttransfersequence）。②信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP），属于一种核糖核蛋白，位于细胞质基质中。SRP与信号序列结合，导致蛋白质合成暂停。③停泊蛋白（dockingprotein，DP），是膜的整合蛋白，存在于内质网上，可与SRP特异结合。④停止转移序列（stoptransfersequence），肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的系合力很高，能阻止肽链续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。⑤转位因子（translocator），由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似于油炸圈的结构，每个Sec61蛋白由三条肽链组成。•蛋白质转入内质网合成的过程：信号肽与SRP结合→肽链延伸终止→SRP与受体结合→SRP脱离信号肽→肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔→信号肽切除→肽链延伸至终止→翻译体系解散。这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为co-translation。导肽与后转移导肽：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体蛋白带有某种信号序列，引导其进入各自细胞器。后翻译转运：蛋白质在细胞质基质中合成以后再转移到这些细胞器中，称后翻译转运或后转移（posttranslocation）。基本的特征：蛋白质跨膜转移过程需要ATP使多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够正确地折叠成有功能的蛋白。2.蛋白质分选信号序列二、蛋白质分选转运的基本途径与类型•途径（1）后翻译转运途径（2）共翻译转运途径•类型（1）蛋白质的跨膜转运（2）膜泡运输（3）选择性的门控转运（4）细胞质基质中蛋白质的转运（一）细胞内蛋白质分选的基本途径•1．后翻译转运途径：蛋白质在核糖体上合成后释放到细胞质中，带分选信号的被分别运送到细胞核、线粒体和过氧化物酶体中，大多数蛋白没有分选信号，留在胞质中。•2．共翻译转运途径：蛋白质在核糖体上开始合成后不久，N-端的信号肽使核糖体附着于粗面内质网上继续合成，多肽链穿过内质网膜。留存内质网再次运送到其它部位如高尔基复合体游离于内质网腔成为可