第八章蛋白質(zhì)分選與膜泡運(yùn)輸

第八章蛋白質(zhì)分選與膜泡運(yùn)輸?shù)谝还?jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選定義：依靠蛋白質(zhì)自身信號序列，從蛋白質(zhì)起始合成部位轉(zhuǎn)運(yùn)到其功能發(fā)揮部位的過程。蛋白質(zhì)分選不僅保證了蛋白質(zhì)的正確定位，也保證了蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性。一、信號假說與蛋白質(zhì)分選信號二、蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)的基本途徑與類型三、蛋白質(zhì)向線粒體、葉綠體和過氧化酶體的分選一、信號假說與蛋白質(zhì)分選信號信號假說（signalhypothesis）：分泌蛋白可能攜帶N端短信號序列，一旦該序列從核糖體翻譯合成，結(jié)合因子和蛋白結(jié)合，指導(dǎo)其轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，后續(xù)翻譯過程將在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上進(jìn)行。信號肽（signalpeptide）：信號肽位于蛋白質(zhì)的N端，一般由16~26個(gè)氨基酸殘基組成，其中包括信號肽疏水核心區(qū)、N端和C端等3部分；原核細(xì)胞某些分泌性蛋白的N端也具有信號序列。信號肽的一級結(jié)構(gòu)序列信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）信號識別顆粒的受體（又稱停泊蛋白，dockingprotein，DP）：DP是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的整合蛋白，由α和β亞基組成，可特異地與SRP結(jié)合。信號肽酶（signalpeptidase）：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面上蛋白水解酶，負(fù)責(zé)切除并快速降解新生多肽的N端信號肽序列。

分泌性蛋白的合成與跨越內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)圖解共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)（cotranslationaltranslocation）：分泌蛋白向rER腔內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)是同蛋白質(zhì)翻譯過程偶聯(lián)進(jìn)行的，這種蛋白在信號肽引導(dǎo)下邊翻譯邊跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程稱為共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合蛋白的拓?fù)鋵W(xué)類型STA：內(nèi)部停止轉(zhuǎn)移錨定序列SA：內(nèi)部信號錨定序列導(dǎo)肽（leaderpeptide）翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)（post-translationaltranslocation)信號序列（signalsequence）信號斑（signalpatch）其他相關(guān)概念指導(dǎo)蛋白質(zhì)從細(xì)胞基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞器的靶向序列的主要特征細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸需要多種轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡參與，根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡表面包被蛋白的不同，主要分3種不同類型：核基因編碼的蛋白質(zhì)的分選大體可分2條途徑：膜泡運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵步驟至少包括如下過程：（2）翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)（post-translationaltranslocation）途徑COPⅠ包被膜泡介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)膜泡逆向運(yùn)輸，負(fù)責(zé)從高爾基體反面膜囊到順面膜囊以及從高爾基體順面管網(wǎng)狀區(qū)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜泡轉(zhuǎn)運(yùn);（三）過氧化物酶體蛋白的分選三、COPⅠ包被膜泡的裝配與運(yùn)輸③轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與特定靶膜的錨定和融合。一是轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡將駐留蛋白有效排斥在外；二、蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)的基本途徑與類型③轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與特定靶膜的錨定和融合。真核細(xì)胞蛋白質(zhì)分選的主要途徑與類型轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體和過氧化物酶體的蛋白質(zhì)靠的是線粒體蛋白N端的導(dǎo)肽（leaderpeptide）或過氧化物酶體蛋白C端的靶向序列（targetingsequence）。信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）二、蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)的基本途徑與類型二、蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)的基本途徑與類型

核基因編碼的蛋白質(zhì)的分選大體可分2條途徑：（1）共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)（cotranslationaltranslocation）途徑：（2）翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)（post-translationaltranslocation）途徑（2）可大大減少所需的遺傳物質(zhì)信息量；Sar1：一種調(diào)節(jié)膜泡轉(zhuǎn)運(yùn)的小G蛋白，有一個(gè)共價(jià)結(jié)合的疏水N端脂基團(tuán)，幫助其插入ER膜，同膜結(jié)合的Sar1對包被蛋白的進(jìn)一步裝配起募集者作用。③轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與特定靶膜的錨定和融合。細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸需要多種轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡參與，根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡表面包被蛋白的不同，主要分3種不同類型：v-SNARE與t-SNARE蛋白的配對（互補(bǔ)性）是介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜融合的主要機(jī)制：網(wǎng)格蛋白（A）、多角形網(wǎng)格包被結(jié)構(gòu)（B）及發(fā)動蛋白介導(dǎo)的網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的形成（C）示意圖定位到葉綠體的前體蛋白N端具有40~50個(gè)氨基酸組成的轉(zhuǎn)運(yùn)肽（transitpeptide），用以指引多肽定位到葉綠體并進(jìn)一步穿過葉綠體被膜進(jìn)入基質(zhì)或類囊體中。信號肽（signalpeptide）：信號肽位于蛋白質(zhì)的N端，一般由16~26個(gè)氨基酸殘基組成，其中包括信號肽疏水核心區(qū)、N端和C端等3部分；1、線粒體蛋白從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì)共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)（cotranslationaltranslocation）：分泌蛋白向rER腔內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)是同蛋白質(zhì)翻譯過程偶聯(lián)進(jìn)行的，這種蛋白在信號肽引導(dǎo)下邊翻譯邊跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程稱為共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)。COPⅠ包被膜泡介導(dǎo)逆向運(yùn)輸。信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）（3）選擇性門控轉(zhuǎn)運(yùn)（gatedtransport）：一是轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡將駐留蛋白有效排斥在外；五、轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜的錨定和融合真核細(xì)胞蛋白質(zhì)分選的主要途徑與類型

左：共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)右：翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)根據(jù)蛋白質(zhì)分選的機(jī)制或轉(zhuǎn)運(yùn)方式不同，又可將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)分為4類：

（1）跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)（transmembranetransport）：

（2）膜泡運(yùn)輸（vesiculartransport）：

（3）選擇性門控轉(zhuǎn)運(yùn)（gatedtransport）：

（4）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)：三、蛋白質(zhì)向線粒體、葉綠體和過氧化酶體的分選轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等細(xì)胞器的蛋白質(zhì)分選是一個(gè)多步過程，需要多個(gè)不同的靶向序列（targetingsequence）。定位到葉綠體的前體蛋白N端具有40~50個(gè)氨基酸組成的轉(zhuǎn)運(yùn)肽（transitpeptide），用以指引多肽定位到葉綠體并進(jìn)一步穿過葉綠體被膜進(jìn)入基質(zhì)或類囊體中。轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體和過氧化物酶體的蛋白質(zhì)靠的是線粒體蛋白N端的導(dǎo)肽（leaderpeptide）或過氧化物酶體蛋白C端的靶向序列（targetingsequence）。網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡介導(dǎo)蛋白質(zhì)從高爾基體TGN向胞內(nèi)體、溶酶體、分泌泡和植物細(xì)胞液泡的運(yùn)輸，也參與質(zhì)膜受體介導(dǎo)的胞吞作用中從細(xì)胞表面運(yùn)往胞內(nèi)體轉(zhuǎn)而到溶酶體的運(yùn)輸。細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸需要多種轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡參與，根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡表面包被蛋白的不同，主要分3種不同類型：是什么因素決定蛋白是否被保留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或進(jìn)入高爾基體？信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）二、COPⅡ包被膜泡的裝配與運(yùn)輸核基因編碼的蛋白質(zhì)的分選大體可分2條途徑：在細(xì)胞的膜泡運(yùn)輸中，糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相當(dāng)于重要的物質(zhì)生產(chǎn)車間和供應(yīng)站，而高爾基體是重要的樞紐和集散中心。膜泡運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵步驟至少包括如下過程：（4）細(xì)胞結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)體系之間的組裝。三、COPⅠ包被膜泡的裝配與運(yùn)輸（2）翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)（post-translationaltranslocation）途徑Tic：內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合蛋白的拓?fù)鋵W(xué)類型（2）協(xié)助裝配（aided-assembly）；（3）COPⅠ包被膜泡。（一）蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體1、線粒體蛋白從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì)2、線粒體蛋白以3種途徑從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體內(nèi)膜3、線粒體蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體膜間隙通過后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑對核基因編碼的線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)A：線粒體蛋白從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì)B：線粒體蛋白通過3種途徑從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體內(nèi)膜C：線粒體蛋白通過2種途徑從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體膜間隙（二）葉綠體基質(zhì)蛋白與類囊體蛋白的靶向輸入通過翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)途徑將葉綠體蛋白從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)輸入到類囊體腔Toc：外膜轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合物Tic：內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合物（三）過氧化物酶體蛋白的分選過氧化物酶體靶向信號（PTS）：常見的C端PTS1（Ser-Lys-Leu）和少見的N端PTS2（Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu）。過氧化物酶體靶向序列1（PTS1）指導(dǎo)的過氧化物酶體基質(zhì)蛋白的輸入第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸一、膜泡運(yùn)輸概觀二、COPⅡ包被膜泡的裝配與運(yùn)輸三、COPⅠ包被膜泡的裝配與運(yùn)輸四、網(wǎng)格蛋白／接頭蛋白包被膜泡的裝配與運(yùn)輸五、轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜的錨定和融合六、細(xì)胞結(jié)構(gòu)體系的組裝一、膜泡運(yùn)輸概觀

在細(xì)胞的膜泡運(yùn)輸中，糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相當(dāng)于重要的物質(zhì)生產(chǎn)車間和供應(yīng)站，而高爾基體是重要的樞紐和集散中心。細(xì)胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸需要多種轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡參與，根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡表面包被蛋白的不同，主要分3種不同類型：（1）網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡；（2）COP（包被蛋白）Ⅱ包被膜泡；（3）COPⅠ包被膜泡。蛋白質(zhì)的分泌與胞吞途徑概觀在細(xì)胞合成-分泌與內(nèi)吞途徑中3種不同的膜泡運(yùn)輸方式COP（包被蛋白）Ⅱ包被膜泡介導(dǎo)順向運(yùn)輸；COPⅠ包被膜泡介導(dǎo)逆向運(yùn)輸。網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡從TGN出芽和從質(zhì)膜內(nèi)化形成，脫包被后與晚期胞內(nèi)體融合蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中涉及的3種包被膜泡的特征比較二、COPⅡ包被膜泡的裝配與運(yùn)輸Sar1：一種調(diào)節(jié)膜泡轉(zhuǎn)運(yùn)的小G蛋白，有一個(gè)共價(jià)結(jié)合的疏水N端脂基團(tuán)，幫助其插入ER膜，同膜結(jié)合的Sar1對包被蛋白的進(jìn)一步裝配起募集者作用。COPⅡ（包被蛋白Ⅱ）包被膜泡介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)順向運(yùn)輸，即負(fù)責(zé)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運(yùn)輸。已知的指導(dǎo)蛋白質(zhì)包裝到特異性轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡的分選信號不同類型的膜泡運(yùn)輸A：COPⅡ包被膜泡介導(dǎo)順向運(yùn)輸和COPⅠ包被膜泡介導(dǎo)逆向運(yùn)輸B：駐留蛋白的回收C：出芽與膜泡包裝三、COPⅠ包被膜泡的裝配與運(yùn)輸COPⅠ包被膜泡介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)膜泡逆向運(yùn)輸，負(fù)責(zé)從高爾基體反面膜囊到順面膜囊以及從高爾基體順面管網(wǎng)狀區(qū)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜泡轉(zhuǎn)運(yùn);

包括再循環(huán)的膜脂雙層、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留的可溶性蛋白和膜蛋白（如v-SNARE）;

是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)回收錯(cuò)誤分選的逃逸蛋白返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的重要途徑。是什么因素決定蛋白是否被保留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或進(jìn)入高爾基體？

一是轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡將駐留蛋白有效排斥在外；

二是對逃逸蛋白的回收機(jī)制，使其返回它們正常駐留的部位。四、網(wǎng)格蛋白／接頭蛋白包被膜泡的裝配與運(yùn)輸網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡介導(dǎo)蛋白質(zhì)從高爾基體TGN向胞內(nèi)體、溶酶體、分泌泡和植物細(xì)胞液泡的運(yùn)輸，也參與質(zhì)膜受體介導(dǎo)的胞吞作用中從細(xì)胞表面運(yùn)往胞內(nèi)體轉(zhuǎn)而到溶酶體的運(yùn)輸。網(wǎng)格蛋白（A）、多角形網(wǎng)格包被結(jié)構(gòu)（B）及發(fā)動蛋白介導(dǎo)的網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的形成（C）示意圖五、轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜的錨定和融合膜泡運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵步驟至少包括如下過程：①供體膜的出芽、裝配和斷裂，形成不同包被轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡；②在細(xì)胞內(nèi)由馬達(dá)蛋白驅(qū)動、以微管為軌道的膜泡運(yùn)輸；③轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與特定靶膜的錨定和融合。膜泡錨定與融合是一個(gè)耗能的特異性過程：其特異性是通過供體膜和靶膜上的蛋白相互作用完成的。小分子GTP結(jié)合蛋白Rab主要介導(dǎo)供體膜和靶膜的錨定：

Rab-GTP與特定轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡的表面蛋白相互作用，并通過類異戊二烯基團(tuán)插入轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡內(nèi)。

一旦Rab-GTP被結(jié)合在膜泡表面，便與靶膜上的Rab效應(yīng)器結(jié)合蛋白相互作用，從而使轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡被錨定在適當(dāng)?shù)陌心ど?。v-SNARE與t-SNARE蛋白的配對（互補(bǔ)性）是介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與靶膜融合的主要機(jī)制：

在供體膜和靶膜之間膜泡的錨定與融合模式圖解如果說Rab蛋白主要是控制轉(zhuǎn)運(yùn)膜泡與適當(dāng)靶膜的錨定，那么，