단백질 타겟팅

Protein targeting
이 기사는 달리 명시되지 않는 한 진핵 생물의 단백질 표적을 다룬다.

단백질 표적화 또는 단백질 분류는 단백질이 세포 [1]내부 또는 외부로 적절한 목적지로 운반되는 생물학적 메커니즘이다.단백질은 세포 내 공간, 다른 세포 내막, 혈장막 또는 [1]분비를 통해 세포 외부를 목표로 할 수 있다.단백질 자체에 포함된 정보가 이 전달 [2]과정을 지시합니다.올바른 분류는 세포에 매우 중요합니다. 분류의 오류나 기능 장애는 여러 [3][4]질병과 연관되어 있습니다.

역사

귄터 블로벨은 단백질이 내재된 신호 서열을 포함하고 있다는 것을 발견한 공로로 1999년 노벨 생리학상을 수상했다.

1970년 귄터 블로벨은 세포막 간 단백질 전이에 대한 실험을 실시했다.당시 록펠러 대학의 조교수였던 Blobel은 동료 George Palade의 [5]작품을 바탕으로 만들었다.Palade는 이전에 분비되지 않은 단백질이 세포질 내의 유리 리보솜에 의해 번역되는 반면 분비된 단백질(및 일반적으로 표적 단백질)은 소포체에 결합된 리보솜에 [5]의해 번역된다는 것을 증명했다.당시 후보 설명은 자유 리보솜과 ER 결합 리보솜 사이의 처리 차이를 가정했지만 블로벨은 단백질 표적이 리보솜의 차이보다는 단백질 고유의 특성에 의존한다는 가설을 세웠다.그의 가설을 뒷받침하면서, Blobel은 많은 단백질들이 세포 내 또는 세포 [2]외 목적지를 지정하는 우편번호처럼 기능하는 짧은 아미노산 서열을 가지고 있다는 것을 발견했습니다.그는 이러한 짧은 배열(일반적으로 13~36개의 아미노산 잔류물)[1]을 신호 펩타이드 또는 신호 배열로 묘사했으며,[6] 이 공로로 1999년 노벨 생리학상을 수상했다.

신호펩타이드

주요 기사 : 시그널 펩타이드

신호 펩타이드는 표적 신호 역할을 하며, 세포 내 또는 세포 외 특정 위치로 단백질을 유도하는 세포 운반 기계를 가능하게 합니다.신호 펩타이드에 대한 컨센서스 시퀀스는 확인되지 않았지만, 많은 경우 특징적인 3자 [1]구조를 가지고 있다.

  1. N 말단 부근의 양전하를 띤 친수성 영역.
  2. 신호펩타이드 중간 부근에 있는 10~15개의 소수성 아미노산 범위.
  3. C 말단 부근의 약간 극지방으로, 일반적으로 절단 부위에 근접하는 위치에서 작은 측쇄를 가진 아미노산을 선호합니다.

단백질이 목적지에 도달한 후 신호펩타이드는 일반적으로 신호펩타이드가 분해된다.[1]따라서 대부분의 성숙한 단백질은 신호펩타이드를 포함하지 않는다.대부분의 신호 펩타이드는 N 말단에서 발견되지만, 페르옥시좀에서는 표적 배열이 C 말단 [7]연장선에 위치한다.신호 펩타이드와 달리 신호 패치는 1차 배열에서 불연속적이지만 접힘으로 단백질 [8]표면에 아미노산 잔기가 모이면 기능하게 된다.대부분의 신호 시퀀스와 달리 정렬이 [9]완료된 후에는 신호 패치가 분할되지 않습니다.내인성 시그널링 배열 외에도 글리코실화와 같은 단백질 변형은 또한 특정 세포 내 또는 세포 외 영역에 대한 표적을 유도할 수 있다.

단백질 전위

상세정보 : translocon

리보솜에 의한 mRNA의 단백질로의 변환은 세포 내에서 이루어지기 때문에, 분비물 또는 특정 소기관으로 향하는 단백질은 [10]전위되어야 한다.이 프로세스는 동시번역 트랜슬레이션이라고 불리는 번역 중 또는 번역 완료 후(번역 후 [11]트랜슬레이션이라고 하는)에 발생합니다.

동시 변환 전위

대부분의 분비 단백질과 막 결합 단백질은 동시 번역적으로 전위되어 있다.소포체(ER), 골지 또는 엔도솜에 존재하는 단백질도 공번역 전위 경로를 사용한다.이 과정은 단백질이 리보솜에서 합성되는 동안 신호 인식 입자(SRP)가 초기 [12]단백질의 N 말단 신호 펩타이드를 인식할 때 시작됩니다.리보솜-단백질 복합체가 진핵생물에서는 ER상의 SRP 수용체에 전달되고 [13]원핵생물에서는 혈장막에 전달되는 동안 SRP의 결합이 일시적으로 합성을 정지한다.여기서 초기단백질은 진핵생물에서는 Sec61 전위복합체로 이루어진 막결합단백질 전도채널 및 원핵생물에서는 [14]상동SecYEG복합체에 삽입된다.분비단백질 및 I형 막 통과단백질에서 신호배열은 신호펩티다아제에 의해 ER(유핵소자) 또는 혈장막(원핵소자)의 막에 위치하면 초기 폴리펩타이드로부터 즉시 분리된다.타입 II 막 단백질과 일부 다발성 막 단백질의 신호 시퀀스는 분해되지 않으므로 신호 앵커 시퀀스로 불린다.ER 내에서 단백질은 먼저 ER의 다른 단백질의 고농도로부터 보호하기 위해 샤페론 단백질로 덮여 있으며, 올바르게 접힐 시간을 줍니다.일단 접힌 단백질은 필요에 따라 변형된 후(예를 들어 글리코실화에 의해) 골지로 이송되어 더 많은 처리를 받고 표적 소기관으로 이동하거나 다양한 ER 유지 메커니즘에 의해 ER에 유지된다.

종종 트랜스막 수용체인 트랜스막 단백질의 아미노산 사슬은 한 번 또는 여러 번 막을 통과합니다.이러한 단백질은 막 앵커 또는 신호 앵커 [15]시퀀스라고도 불리는 정지 전달 시퀀스에 의해 프로세스가 중단될 때까지 전위치에 의해 막에 삽입됩니다.이러한 복잡한 막 단백질은 현재 분비 단백질을 위해 개발된 것과 동일한 표적화 모델을 사용하여 특징지어진다.그러나 많은 복잡한 다중막 통과 단백질은 이 모델에 맞지 않는 구조적 측면을 포함한다.7개의 막간 G단백질 결합 수용체(인간의 유전자의 약 5%를 나타냄)는 대부분 아미노 말단 신호 서열을 가지고 있지 않다.분비 단백질과는 대조적으로, 첫 번째 막 통과 도메인은 첫 번째 신호 배열로 작용하며, ER 막에 그것들을 목표로 한다.이것은 또한 단백질의 아미노 말단을 ER 막 내강으로 전위시키는 결과를 초래한다.시험관내 [16][17]실험으로 옵신을 통해 증명된 이 전위는 ER을 목표로 하는 포유류 단백질을 위해 항상 유지되어 온 일반적인 "동역" 전위 패턴을 깨뜨린다.막간 토폴로지 및 접힘의 많은 메커니즘이 설명되어야 한다.

번역 후 위치 변경

대부분의 분비단백질은 동시번역적으로 전위되어 있어도 일부는 세포졸에서 번역되어 번역 후 시스템에 의해 ER/플라스마막으로 운반된다.원핵생물에서 이 과정은 SecA와 SecB와 같은 특정 보조 인자를 필요로 하며 두 개의 막 결합 [18]단백질인 Sec62와 Sec63에 의해 촉진된다.ER 막에 내장된 Sec63 복합체는 ATP의 가수 분해를 유발하여 샤페론 단백질이 노출된 펩타이드 사슬에 결합하고 폴리펩타이드를 ER 내강으로 밀어 넣습니다.일단 내강 안에 들어가면 폴리펩타이드 체인을 적절하게 접을 수 있습니다.이 과정은 세포에 [19]위치한 펼쳐진 단백질에서만 일어난다.

또한, 미토콘드리아, 엽록체, 또는 페르옥시좀과 같은 다른 세포 목적지를 대상으로 하는 단백질은 특별한 번역 후 경로를 사용한다.핵을 표적으로 하는 단백질도 핵모공을 [20]통한 핵외피 통과를 촉진하는 핵국재신호(NLS)의 추가를 통해 번역 후 전위된다.

단백질 분류

미토콘드리아

주요 기사: TIM/TOM 콤플렉스

대부분의 미토콘드리아 단백질은 흡수 펩타이드 신호를 포함하는 세포질의 전구체로 합성된다.세포질 샤페론은 미토콘드리아 막의 채널 연결 수용체에 사전 단백질을 공급한다.미토콘드리아를 대상으로 하는 전서열을 가진 전단백질은 수용체와 총칭하여 외막의 전위효소(TOM)로 알려진 일반수입공(GIP)에 의해 외막에 결합된다.그런 다음 머리핀 루프로서 TOM을 통해 배치됩니다.사전단백질은 작은 TIM(분자 보호자 역할도 함)에 의해 막간 공간을 통해 내막의 TIM23 또는 TIM22(내막의 전이효소)로 운반됩니다.매트릭스 내에서 타겟팅 시퀀스는 mtHsp70에 의해 분할됩니다.

세 가지 미토콘드리아 외막 수용체가 알려져 있다.

  1. TOM70: 내부 표적 펩타이드와 결합하여 세포성 샤페론의 도킹 포인트 역할을 합니다.
  2. TOM20: 프리시퀀스를 바인드합니다.
  3. TOM22: 프리시퀀스 및 내부 표적 펩타이드를 결합합니다.

TOM 채널(TOM40)은 분자량이 410kDa이고 공극 직경이 21O인 양이온 특이적 고전도 채널입니다.

전서열전달효소23(TIM23)은 미토콘드리아 내막에 국소화되어 전구 단백질과 N 말단을 결합하는 모공 형성 단백질로 작용한다.TIM23은 미토콘드리아 기질, 내부 미토콘드리아 막 및 막간 공간에 대한 사전 단백질 전달체 역할을 한다.TIM50은 미토콘드리아 안쪽의 TIM23에 결합되어 프리시퀀스와 결합하는 것으로 밝혀졌다.TIM44는 매트릭스 측에서 바인드되어 mtHsp70에 바인딩되어 있습니다.
전서열전달효소22(TIM22)는 미토콘드리아 내막에만 결합된 전단백질을 결합한다.

배열을 대상으로 하는 미토콘드리아 매트릭스에는 양전하 아미노산과 히드록실화 아미노산이 풍부하다.

단백질은 여러 신호와 여러 경로를 통해 연골 구획을 제출하는 것을 목표로 한다.

외부막, 막간 공간 및 내부막을 타겟팅하려면 매트릭스 타겟팅 시퀀스 외에 다른 신호 시퀀스가 필요한 경우가 많습니다.

엽록체

엽록체용 전단백질은 스트롬 수입배열 또는 스트롬 및 틸라코이드 표적배열을 포함할 수 있다.대부분의 사전 단백질은 엽록체 외피 내에 위치한 Toc 및 Tic 복합체를 통해 이동됩니다.스트로마에서는 스트롬 수입 배열을 잘라내고 접을 뿐만 아니라 틸라코이드로의 엽상체 내 분류가 계속된다.엽록체의 외피를 표적으로 하는 단백질은 보통 분해 가능한 분류 배열이 부족하다.

엽록체와 미토콘드리아 모두

많은 단백질이 미토콘드리아와 엽록체 [21]둘 다에 필요하다.일반적으로 이중 표적화 펩타이드는 두 특정 펩타이드에 대한 중간 특성이다.이러한 단백질의 표적화 펩타이드는 음전하를 띤 아미노산 함량이 낮은 염기성 및 소수성 아미노산 함량이 높습니다.그들은 알라닌 함량이 낮고 류신 및 페닐알라닌 함량이 높다.이중 표적 단백질은 미토콘드리아 및 엽록체 단백질보다 소수성 표적 펩타이드를 더 많이 가지고 있다.단, 펩타이드가 물리화학적 특성을 바탕으로 이중표적인지 아닌지를 예측하는 것은 지루하다.

페르옥시좀류

모든 과산화염색체 단백질은 핵 [22]유전자에 의해 암호화된다.현재까지 알려진 Peroxisome Targeting Signal(PTS;[23] 과산화섬 타깃팅 신호)에는 두 가지 유형이 있습니다.

  1. 페르옥시좀타겟팅신호1(PTS1) : 컨센서스 배열(S/A/C)-(K/R/H)-(L/A)를 가진 C단자 삼중화물.가장 일반적인 PTS1은 세린-리신-류신(SKL)이다.대부분의 페르옥시좀 매트릭스 단백질은 PTS1형 신호를 가지고 있다.
  2. 페르옥시좀타겟팅신호2(PTS2) : 컨센서스 배열(R/K)-(L/V/I)-XXXX-(H/Q)-(여기서 X는 임의의 아미노산일 수 있음)로 N말단 부근에 위치한 비아펩타이드.

또한 이러한 신호들을 모두 가지고 있지 않은 단백질도 있다.그들의 수송은 소위 "돼지 등" 메커니즘에 기초할 수 있다: 그러한 단백질은 PTS1을 가진 매트릭스 단백질과 연관되어 그들과 [24]함께 페르옥시좀 매트릭스로 옮겨진다.

질병.

단백질 운반은 다음과 같은 유전 질환에서 결함이 있습니다.

박테리아 및 고세균

위에서 설명한 바와 같이(단백질 전이 참조) 대부분의 원핵막 결합 및 분비 단백질은 세균성 SRP를 사용하는 공번역 경로 또는 SecA와 SecB를 필요로 하는 번역 후 경로에 의해 혈장막을 목표로 한다.혈장막에서 이 두 경로는 전위를 위해 SecYEG 트랜스로콘에 단백질을 전달한다.박테리아는 단일 플라즈마막(Gram 양성균)을 가질 수도 있고, 페리플라즈마에 의해 분리된 내막과 외막을 가질 수도 있다(Gram 음성균).플라즈마 막 외에 대부분의 원핵 생물은 진핵 생물에서 발견되는 막 결합 유기체가 없지만, 그들은 가스 소포와 저장 과립과 같은 다양한 형태의 포함물에 단백질을 조립할 수 있다.

그램음성균

주요 기사: 그램 음성 세균 분비

그램 음성세균 단백질은 플라즈마막, 외막, 페리플라즘에 포함되거나 환경으로 분비될 수 있다.박테리아 외막을 가로질러 단백질을 분비하는 시스템은 매우 복잡할 수 있으며 병원 형성에 중요한 역할을 한다.이러한 시스템은 유형 I 분비물, 유형 II 분비물 등으로 설명할 수 있습니다.

그램양성균

주요 기사: 그램 양성 세균 분비물

대부분의 그램 양성 박테리아에서 특정 단백질은 혈장막을 통해 수출되고 세균 세포벽에 대한 후속 공유 결합을 목표로 한다.특화된 효소인 소르테아제는 LPXTG 모티브(여기서 X는 임의의 아미노산일 수 있음)와 같은 단백질 C 말단 부근의 특성 인식 부위에서 표적 단백질을 절단한 후 해당 단백질을 세포벽에 전달한다.마찬가지로 세포질외면, C 말단막 통과 도메인 및 단백질 극단의 C 말단 세포질면 염기성 잔기의 클러스터를 특징으로 하는 몇 가지 유사한 시스템이 발견되었다.많은 그램 음성 박테리아에서 발견되는 PEP-CTERM/엑소소타아제 시스템은 세포외 고분자 물질 생성과 관련이 있는 것으로 보인다.고세균의 PGF-CTERM/archaeosortase A 시스템은 S층 생산과 관련이 있다.쉐와넬라속, 비브리오속 및 다른 몇몇 속들에서 발견되는 글리글리-CTERM/롬보소라아제 시스템은 단백질분해효소, 핵산가수분해효소 및 기타 효소의 방출에 관여하는 것으로 보인다.

바이오 인포메이션 툴

  • Minorotif Miner는 단백질 배열 쿼리를 검색하여 알려진 단백질 표적 배열 모티브를 검색하는 생물 정보학 도구입니다.
  • 포비우스는 공급된 1차 배열에 기초하여 신호 펩타이드를 예측한다.
  • SignalP는 신호 펩타이드 절단 부위를 예측합니다.
  • LOCtree는 단백질의 세포하 국부화를 예측한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e Nelson DL (January 2017). Lehninger principles of biochemistry. Cox, Michael M.,, Lehninger, Albert L. (Seventh ed.). 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. Retrieved 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 ed.). New York. ISBN 978-0-393-67953-3. OCLC 1048014962.
  16. ^ Kanner EM, Friedlander M, Simon SM. (2003)"내질막을 가로질러 옵신의 아미노 말단을 공동 번역 대상으로 하고 전위시키려면 GTP가 필요하지만 ATP는 필요하지 않다." J. Biol.화학 278(10): 7920-7926. doi:10.1074/jbc.M20746220.PMID 12486130
  17. ^ Kanner EM, Klein IK 등(2002).opsin의 아미노 말단은 "번역 후"를 동시번역만큼 효율적으로 변환한다.생화학 41(24) : 7707~7715. doi : 10.1021/bi0256882.PMID 12056902.
  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 ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 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 ed.). London. 8 January 2013. ISBN 978-0-12-378631-9. OCLC 828743403.{{cite book}}: CS1 유지보수: 기타 (링크)
  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.

외부 링크