第八章 蛋白质分选与膜泡运输

1、细胞内蛋白质的分选细胞内蛋白质的分选信号假说与蛋白质分选信号信号假说与蛋白质分选信号蛋白质分选的基本途径与类型蛋白质分选的基本途径与类型细胞内细胞内膜泡运输膜泡运输COP包被膜泡的装配与运输包被膜泡的装配与运输COPCOP包被膜泡的装配与运输包被膜泡的装配与运输网格蛋白网格蛋白/ /接头蛋白包被膜泡的装配与运输接头蛋白包被膜泡的装配与运输重点重点：信号假说、膜泡的装配与运输：信号假说、膜泡的装配与运输 难点难点：信号假说与蛋白质分选、转运膜泡：信号假说与蛋白质分选、转运膜泡与靶膜的锚定和融合。与靶膜的锚定和融合。 蛋白质分选蛋白质分选(protein sorting)或蛋白或蛋白质寻靶（质寻靶

2、（protein targeting) 细胞质或粗面内质网上合成的蛋白质，通过细胞质或粗面内质网上合成的蛋白质，通过不同的分选和运转机制，确保蛋白质被运至不同的分选和运转机制，确保蛋白质被运至细胞的特定部位，并组装成不同结构和功能细胞的特定部位，并组装成不同结构和功能复合体的过程。复合体的过程。1972年年C.Milstein等发现从骨髓瘤细胞中提取的免疫球蛋白质等发现从骨髓瘤细胞中提取的免疫球蛋白质分子的分子的N端要比分泌到细胞外面的同一蛋白质分子的端要比分泌到细胞外面的同一蛋白质分子的N端长端长出一截。出一截。1975年，美国年，美国G.Blobel和和D.Sabatini根据进一步的实验

3、依据，根据进一步的实验依据，提出这种蛋白质合成的信号假说，即分泌性蛋白提出这种蛋白质合成的信号假说，即分泌性蛋白N端序列作端序列作为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号为信号肽，指导分泌性蛋白到内质网膜上合成，然后在信号肽的引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质肽的引导下蛋白质边合成边通过易位子蛋白复合体进入内质网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。网腔，在蛋白质合成结束之前信号肽被切除。1999年，年， G.Blobel因该假说被大量事实证实而获诺贝尔生理因该假说被大量事实证实而获诺贝尔生理医学奖医学奖这一过程主要是由三个因子协助完成的，即：这一过程主要是由三个因子

4、协助完成的，即：信号肽信号肽（signal peptide）又称指导因子）又称指导因子信号识别颗粒信号识别颗粒（ signal recognition particle， SRP）SRP受体（受体（又称停泊蛋白又称停泊蛋白docking protein，DP）信号肽的一级序列信号肽的一级序列 信号肽位于蛋白质的信号肽位于蛋白质的N端，端，1626个氨基酸残基，一级序个氨基酸残基，一级序列由列由疏水核心（疏水核心（h）、）、C端（端（c）和）和N端（端（n）三个区域构成。三个区域构成。 以血清白蛋白和以血清白蛋白和HIV-1型病毒的糖蛋白型病毒的糖蛋白gp160信号肽为例，信号肽为例，显示出两者

5、的显示出两者的n区长度明显不同区长度明显不同 。 信号肽似乎没有严格的专一性，目前尚未发现共同的信号信号肽似乎没有严格的专一性，目前尚未发现共同的信号序列。序列。信号识别颗粒信号识别颗粒(SRP): Six different polypeptides complexed with a 300-nucleotide (7S)molecule of RNA.信号识别颗粒受体信号识别颗粒受体(SRP receptor, GTP binding protein)SRP have three main active sites:One that recognizes and binds to sign

6、al sequence;One that interacts with the ribosome to block further translation;One that binds to the ER membrane (docking protein)信号假说主要内容：信号假说主要内容：（1）编码分泌蛋白的）编码分泌蛋白的mRNA，在起始密码子，在起始密码子AUG之之后，紧跟着一组特定的后，紧跟着一组特定的信号密码子信号密码子（约有（约有45-90、48-78个核苷酸），由此编码一段多肽。个核苷酸），由此编码一段多肽。（2）多肽链的合成开始在游离核糖体上，信号密码）多肽链的合成开始在游离

7、核糖体上，信号密码子转译为子转译为信号肽信号肽（signal peptide ，疏水性，疏水性占优势），占优势），约有约有16-26个氨基酸。个氨基酸。（3 3）在）在细胞质中细胞质中有有信号识别颗粒信号识别颗粒（signal recognition protein ，SRP，识别正在合成信号肽的核糖体并与之，识别正在合成信号肽的核糖体并与之结合，合成暂停，引导核糖体与结合，合成暂停，引导核糖体与ER膜上的易位子结膜上的易位子结合，而合，而SRP 则与则与SRP受体受体（又称停泊蛋白，（又称停泊蛋白，docking Protein）结合，蛋白质合成继续，）结合，蛋白质合成继续， SRP脱离释放

8、返回脱离释放返回基质重复利用。基质重复利用。（4）信号肽与）信号肽与易位子易位子作用并使作用并使RER形成隧道，合成形成隧道，合成的多肽链通过隧道进入内质网池。的多肽链通过隧道进入内质网池。（5）信号肽已无用，被位于）信号肽已无用，被位于RER膜内表面的信号肽膜内表面的信号肽酶（酶（Signal peptidase）切掉。）切掉。（6）多肽链继续生长，直至合成完毕。）多肽链继续生长，直至合成完毕。（7）最后在一种分离因子作用下，核糖体脱离开膜，）最后在一种分离因子作用下，核糖体脱离开膜，隧道封闭。隧道封闭。 在游离核糖体上起始合成在游离核糖体上起始合成 SRPSRP结合信号肽后暂停翻译结合信号

9、肽后暂停翻译 SRPSRP与与rERrER上的上的DPDP结合结合 信号肽与移位子结合，打开孔道信号肽与移位子结合，打开孔道 SRPSRP脱离，肽链合成重启脱离，肽链合成重启 信号肽被切除、降解信号肽被切除、降解 肽链合成终止，核糖体释放，肽链折叠肽链合成终止，核糖体释放，肽链折叠分泌性蛋白质的共翻分泌性蛋白质的共翻译转运过程译转运过程内在停止转移锚定序列内在停止转移锚定序列（internal stop-transfer anchor sequence，STA）内在信号锚定序列内在信号锚定序列（internal signal-anchor sequence，SA） (p139)肽链上的一段特殊

10、肽链上的一段特殊AA序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。跨跨膜蛋白的共翻译转运机理膜蛋白的共翻译转运机理继信号肽、导肽后，人们又发现一系列蛋白质分选信号序列，继信号肽、导肽后，人们又发现一系列蛋白质分选信号序列，统称统称信号序列信号序列，有些还可能形成三维结构的信号称，有些还可能形成三维结构的信号称信号斑信号斑信号功能信号功能举 例蛋白进入蛋白进入ER+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Ler-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Tr

11、p-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-滞留在滞留在ER中中 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO- (KDEL) 蛋白进入线粒体蛋白进入线粒体 +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-进入细胞核进入细胞核 -Pro-Pro-Lys-Lys-Arg-Lys-Val- （NLS） 进入过氧化进入过氧化 物酶体物酶体 -Ser-Lys-Leu- (PT

12、S1) 细胞质中合成的没有信号序列的蛋白质去向？细胞质中合成的没有信号序列的蛋白质去向？成为细胞质驻留蛋白成为细胞质驻留蛋白蛋白质分选的两条基本途径蛋白质分选的两条基本途径：共翻译转运共翻译转运（co-translational translocation) 分泌蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程分泌蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程 。n 在游离核糖上起始合成在游离核糖上起始合成n SRP引导转运到引导转运到rERn 边合成，边转运边合成，边转运n 靶区：细胞质膜及细胞内膜系统靶区：细胞质膜及细胞内膜系统后翻译转运后翻译转运（post-translational transloc

13、ation） 蛋白质在细胞质基质合成以后在导肽的指导下转运到线蛋白质在细胞质基质合成以后在导肽的指导下转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的过程。粒体、叶绿体和过氧化物酶体的过程。n在游离核糖体上合成在游离核糖体上合成n 靶区：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核、细胞基质的靶区：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核、细胞基质的驻留蛋白或骨架蛋白、内质网（某些分泌蛋白）驻留蛋白或骨架蛋白、内质网（某些分泌蛋白）（一）、蛋白质向线粒体的分选（一）、蛋白质向线粒体的分选核基因编码核基因编码的线粒体蛋白的合成和输入大体的线粒体蛋白的合成和输入大体上要涉及到上要涉及到4个步骤：个步骤： 在细胞质基质中合

14、成多肽前体物在细胞质基质中合成多肽前体物 前体物和细胞器表面的受体结合前体物和细胞器表面的受体结合 穿过并移进细胞器膜穿过并移进细胞器膜 前体物被加工成成熟多肽前体物被加工成成熟多肽靶向线粒体基质的跨膜运送靶向线粒体内膜的跨膜运送 TOM: translocon of the outer membrane Tim: translocon of the inner membrane靶向线粒体膜间隙的跨膜运送 途径A是主要的 注意与内膜蛋白途径A不同点(三) 、过氧化物酶体中的蛋白质输入 无论是膜上还是腔中的蛋白都是在细胞质基质中合成 绝大多数过氧化物酶体基质蛋白的C-端含有过氧化物酶体定位序列(

15、peroxisomal-targeting sequence, PTS 1) SKL(Ser-Lys-Leu) PST1无特异性：当把这一短的信号序列连接到细胞质中的任何蛋白质上，都可使该蛋白质被输入过氧化物酶体中。蛋白质的分泌与胞吞途径概观蛋白质的分泌与胞吞途径概观 在细胞合成与分泌途径中不同在细胞合成与分泌途径中不同膜组分之间三种不同的膜泡运输膜组分之间三种不同的膜泡运输方式方式: 1. 网格蛋白网格蛋白/接头蛋白有被小泡接头蛋白有被小泡介导从高尔基体介导从高尔基体TGN质膜和质膜和胞内体及溶酶体的运输；胞内体及溶酶体的运输； 2. COPII包被小泡介导从内质包被小泡介导从内质网网高尔基

16、体的运输；高尔基体的运输； 3. COPI包被小泡负责将蛋白包被小泡负责将蛋白从高尔基体从高尔基体 内质网。内质网。 负责从内质网负责从内质网高尔基体的物质运输；高尔基体的物质运输； COPII包被蛋白由包被蛋白由5种蛋白亚基组成；种蛋白亚基组成； 包被蛋白的装配是受控的；包被蛋白的装配是受控的； COPII包被小泡具有对转运物质的选择包被小泡具有对转运物质的选择 性并使之浓缩。性并使之浓缩。 COPII包被小泡的装配：包被小泡的装配：Sar1-GTP与内质网膜的结合起始与内质网膜的结合起始COPII亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔面亚基的装配，形成小泡的包被并出芽，跨膜受体在腔

17、面捕获并富集被转运的可溶性蛋白捕获并富集被转运的可溶性蛋白 COPI包被含有包被含有8种蛋白亚基，包被蛋白复合物种蛋白亚基，包被蛋白复合物的装配与去装配依赖于的装配与去装配依赖于ARF(GTP-binding protein)； 负责回收、转运内质网逃逸蛋白负责回收、转运内质网逃逸蛋白(escaped proteins） ER。 细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制：细胞器中保留及回收蛋白质的两种机制： 转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止转运泡将应被保留的驻留蛋白排斥在外，防止出芽转运；出芽转运； 通过识别驻留蛋白通过识别驻留蛋白C-端的回收信号端的回收信号(lys-asp-glu-leu

18、,KDEL)的特异性受体，以的特异性受体，以COPI-包被小泡包被小泡的形式的形式捕获逃逸蛋白捕获逃逸蛋白。内质网驻留蛋白的回收图解内质网驻留蛋白的回收图解负责蛋白质从高尔基体负责蛋白质从高尔基体TGN质膜、胞内体或溶酶体和质膜、胞内体或溶酶体和植物液泡运输植物液泡运输在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜在受体介导的细胞内吞途径也负责将物质从质膜内吞内吞泡泡(细胞质细胞质) 胞内体胞内体溶酶体运输溶酶体运输高尔基体高尔基体TGN是网格蛋白包被小泡形成的发源地是网格蛋白包被小泡形成的发源地 A:三腿网格蛋白分子；三腿网格蛋白分子；B:体外缺乏膜泡时自组装的网格蛋白网格包被；体外缺乏膜泡时自

19、组装的网格蛋白网格包被；C:发动蛋白介导的网格蛋白发动蛋白介导的网格蛋白/接头蛋白包被膜泡形成示意图接头蛋白包被膜泡形成示意图膜泡运输的膜泡运输的3个关键步骤：个关键步骤：n供体膜的出芽、装配和断裂形成包被转运膜泡；供体膜的出芽、装配和断裂形成包被转运膜泡；n细胞内由马达蛋白驱动、以微管为轨道的膜泡运输细胞内由马达蛋白驱动、以微管为轨道的膜泡运输n转运膜泡与特点靶膜的锚定和融合转运膜泡与特点靶膜的锚定和融合膜泡融合是特异性的膜泡融合是特异性的选择性融合，选择性融合，从而指导细胞内膜从而指导细胞内膜流的方向流的方向选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白的选择性融合基于供体膜蛋白与受体膜蛋白的特异性相特异性相互作用互作用在供体膜和靶膜之间膜泡的转运、锚定与融合模式图解在供体膜和靶膜之间膜泡的转运、锚定与融合模式图解生物大分子的组装方式生物大分子的组装方式 自我装配自我装配（self-assembly）亚基本身具有装配信息，细胞提供组装环境亚基本身具有装配信息，细胞提供组装环境协助装配协助装配（aided-assembly）其它成分参与或亚基进行修饰，需其它成分参与或亚基进行修饰，需ATP或或GTP提提供能量供能量直接装配直接装配（direct-assembly）亚基直接组装到预先形成的结构上亚基直接组装到预先形成的