2015细胞生物学(翟中和第四版第8章-蛋白质分选(李绍军)

细胞生物学西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室李绍军第八章蛋白质分选与膜泡运输本章内容第一节细胞内蛋白质的分选1.信号假说与蛋白质分选信号2.蛋白质分选的基本途径与类型3.蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选第二节细胞内膜泡运输1.COPII与COPI包被膜泡的装载与运输2.网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的装载与运输3.转运膜泡与靶膜的锚定和融合4.细胞结构体系的组装蛋白质分选运输的路径图第一节蛋白质的分选（定向转运）1真核细胞中核编码蛋白的分选概述（共翻译转运和后翻译转运）•跨膜运输：蛋白运入内质网、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体；•膜泡运输：内质网、高尔基体、质膜、溶酶体、胞内体之间的蛋白运输；•门控通道运输：通过核孔运输；•细胞质基质中的蛋白转运。蛋白通过四种机制转运：蛋白分选（蛋白质寻靶）:蛋白分子在蛋白内部的分选信号指导下从细胞质运往各种目标细胞器或细胞表面。•没有任何信号（序列）的蛋白是细胞质基质驻留蛋白。•细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：–其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signalsequence）。–其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sortingreceptor）。信号肽及信号斑•蛋白建立分选信号的两种方式：•信号位于一段氨基酸序列中被称为信号序列，它暴露在蛋白外部通常位于肽链端部，也有存在于其他部位的。•信号斑由分隔开的氨基酸序列在蛋白折叠时相互接近组成，或者在蛋白折叠后形成暴露的固定距离的多个信号斑。门控通道转运：•细胞核蛋白通过核孔复合体运输;•蛋白存在核定位信号(NLS);•以折叠或组装的形式进行运输。跨膜运输：•进入内质网依赖信号肽；•进入线粒体、叶绿体、过氧化物酶体依赖导肽或转运肽;•通过膜上的易位子、内外膜转运复合体蛋白跨膜；•以单个未折叠的肽链形式跨膜；•需要通过分子伴侣协助。膜泡运输：•通过出芽，转运，驻泊及最后与靶膜融合运输蛋白、脂质；•在膜泡的外围组装包被蛋白；(网格蛋白、COPII包被蛋白、COPI包被蛋白等);•只有正确折叠、组装的蛋白才能被运输；•在运输中被运输蛋白、脂质的方向不会改变。2信号假说和内膜系统蛋白质的转运--G.Blobel和D.Sabatini,1975年提出共翻译转运的信号假说。•Palade发现内质网附着的核糖体合成分泌蛋白。•Milstein等发现:在非细胞体系中合成的IgG轻链比体内真正的IgG轻链N端长出数个氨基酸。•在非细胞体系中添加ER膜组分则可合成正常长度的IgG轻链。•分泌蛋白的信号肽：由多肽N端16-26个氨基酸组成。具有三个区域，带正电荷的N端区，中间的疏水核心区和极性的与成熟肽链连接的C端剪切区，新生分泌蛋白的信号肽使肽链定向运输到内质网，随后被切除。•信号识别颗粒,SRP:由6种不同的多肽和一条7S（300bp左右）RNA组成的核糖核蛋白复合体，可结合GTP）。•信号识别颗粒受体：内质网停泊蛋白(DP，一种GTP结合蛋白)。•易位子：由3-4个Sec61蛋白构成的通道，每个Sec61由3条肽链组成。•SRP有三个主要活性区:•信号肽识别区：P54甲硫氨酸与信号肽疏水核心结合；•核糖体结合区：P9、P14，阻断进一步翻译；•结合内质网停泊蛋白的区域。•停止转移序列：与内质网膜的亲合力很高，阻止肽链继续进入网腔，成为跨膜蛋白。粗面内质网合成分泌蛋白共翻译转运示意图进入内质网腔的可溶性蛋白没有停止转移序列除N端信号肽引导蛋白转运至内质网外，内质网定位蛋白还可能有开始转移序列，内在停止转移锚定序列（STA）、内在信号锚定序列（SA，起信号肽、开始转移、锚定的序列）等内部信号序列指导内质网膜蛋白的转运。含内在停止转移锚定序列（STA）和内在信号锚定序列（SA）的蛋白在内质网膜上的拓扑特征膜整合蛋白的内部停止转移序列（内部停止转移锚定序列）和开始转移序列（内部信号锚定序列）在蛋白膜定位中的作用葡萄糖转运蛋白1等多跨膜α螺旋蛋白的合成和转运：多个开始转移序列（内部信号锚定序列，不切除的信号肽）和停止转移序列（内部停止转移锚定序列）形成多次跨膜。•水疱性口炎病毒包膜蛋白的分选信号是存在于细胞质基质一侧的双酸分选信号，这种信号也存在于其他膜蛋白上。•双酸分选信号指导膜蛋白从内质网向高尔基体运输。上皮细胞顶端和基膜蛋白的分选：水疱性口炎病毒（VSV）与普通感冒病毒共同侵染上皮细胞时在内质网上合成的两种病毒的包膜蛋白被高尔基体转运小泡分别运输至上皮细胞的基膜端和游离端。有些膜蛋白分泌到基膜一侧在通过转胞吞作用聚集到游离面质膜上。•不仅蛋白质进入内质网需要信号引导，蛋白在内膜系统间运输也需要信号。如内质网驻留蛋白的KDEL（HDEL）信号和KKXX信号（膜蛋白），质膜整合蛋白由内质网进入高尔基体的双酸分选信号（Asp-X-Gln），溶酶体蛋白有高尔基体进入溶酶体的甘露糖-6-磷酸信号等。内膜系统之间及与质膜之间的物质传递主要通过膜泡运输进行。运输小泡在膜的特定区域以出芽、内吞的方式产生。表面具有一个笼子状的由蛋白质构成的包被（coat）。包被在运输小泡与靶细胞器的膜融合之前解体。膜泡运输及内膜系统结构、位置的组织依赖细胞骨架，特别是细胞微管体系。第二节膜泡运输高尔基体在细胞分裂中的解体和分裂后重新组装Golgiassemblyoccursin2stagesuponmitoticexit:(a)Videoframesillustratingpost-mitoticGolgiassemblyinmCherry（一种红色荧光蛋白）-Rab6（定位于高尔基体或后高尔基体区室上的GTP结合蛋白，调节膜泡运输、融合）expressingRPE1（一种视网膜上皮细胞株）cells.Timezeromarksapproximateonsetoftelophase（末期开始）.Boxedareaisenlargedbelow.(b)PostmitoticGolgiparticlesizebasedonliveimagingexperimentsinNT-controlcells.AveragefoldincreaseofGolgiparticlesrelativetotimezeroisshown.(c)Enlargedboxfrom(a)showingGolgimini-stack(red)clustering(6–9',blueandyellowarrowsindicatetwoseparateclusters)priortore-locationtowardthecentrosome(10').Milleretal.Golgi-derivedmicrotubulesclusterandorganizeGolgimini-stacks(G-stageofGolgiassembly).Atthesametime,centrosomalmicrotubulescollectGolgistacksinthecellcenter(C-stageofGolgiassembly).InCLASP高尔基体膜上组织微管组装的一种蛋白）-depletedcellsthathavenoGolgi-derivedmicrotubules,G-stageisabsent.细胞分裂末期高尔基体重新组装由两套微管体系完成——中心体微管体系（C-stage）和高尔基体微管体系（G-stage，高尔基体有微管组织中心的功能）高尔基体重新组装依赖微管：(c)ShowingMTnucleation(成核)atGolgimini-stacks(red),bindingofmini-stackstoMT(yellowarrow),andtransportalongMT(whitearrow)resultinginclusteringalongGolgi-nucleatedMT.mCherry-Rab6(red),GFP-EB3（一种微管结合蛋白,green）.(d)Mini-stackclusteringfrom(c),mCherry-Rab6alone.Bluearrow,mini-stackwhereMTnucleates.Yellowarrow,transportedmini-stack.GolgiassemblydependsondirectionalityoftwoMTsubsetsandondyneinactivity:(a–b)OverlaidGFP-EB3(green)andmCherry-GT(red)videoframeswithin2.5min.(a)EB3tracksinacontrolcellillustrateradialcentrosomal(yellowarrow)andtangentialGolgiassociated(bluearrowhead)MTarrays.Boxisenlargedin(a‘)formCherry-GTandin(a”)forGFP-EB3.(b)Radialcentrosomal(yellowarrow)EB3tracksinCLASP-depletedcell(siRNAcombination).Boxisenlargedin(b’)formCherry-GTandin(b”)forGFP-EB3.(c)Videoframesillustratingminus-enddirectedmini-stackmovement(yellowarrow)alongGolginucleatedMTsuponnocodazole（微管组装抑制剂）washoutinmCherry-GT(red)andGFP-EB3(green)expressingNTcontrolcells.MTplusend,asterisk.Timeafternocodazoleremovalisshown.WhentheG-stageismissing,Golgiorganizationisdisturbed.ComparenormallyorganizedGolgi(left)toapartiallyscatteredcircularGolgiassembledbyradialcentrosomalmicrotubulesinCLASP-depletedcells(right).Polarityofpost-Golgitraffickingcannotbemaintainedincellsthathaveadisorganized,circularGolgi.Comparenormalpolarizedtraffickingtowardthecellfront(left)tonon-directionaltraffickingpatterninaCLASP-depletedcell(right).•细胞内膜系统间膜泡运输有方向性，已知由三种不同类型的有被小泡运输。•不同包被蛋白选择运输不同的货物，组成不同类型的运输小泡在生物合成和分泌、胞饮过程中介导不同种类的运输。衣被类型GTP酶组成与衔接蛋白运输方向clathrinARFClathrin重链与轻链，AP2质膜→胞内体Clathrin重链与轻链，AP1高尔基体→胞内体Clathrin重链与轻链，AP3高尔基体→溶酶体，植物液泡COPIARFCOPαββ’γδεζ高尔基体→内质网COPIISar1Sec23/Sec24复合体，Sec13/31复合体，类似网格蛋白，Sec16内质网→高尔基体COPⅡ衣被小泡介导内质网到高尔基体的物质运输。形成于内质网无核糖体处的出芽位点。主要亚基：Sar1-GTP、Sec23、Sec24（双酸信号受体）、Sec13、Sec31。多数跨膜蛋白直接与COPⅡ结合，少数跨膜蛋白和多数可溶性蛋白通过受体与COPⅡ结合。分选信号：位于跨膜蛋白胞质面，形式多样，常包含双酸性基序Asp-X-Glu。COPⅡ有被小泡的组装：