核糖體出口處的交換將新生蛋白質(zhì)靶向至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

正常的細(xì)胞功能需要準(zhǔn)確的機(jī)制將新合成的蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)礁髯缘募?xì)胞生態(tài)位。在一項(xiàng)合作研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了新生蛋白質(zhì)如何被轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)——一種通向核膜的膜通道細(xì)胞質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。

德國康斯坦茨大學(xué)分子微生物學(xué)教授ElkeDeuerling博士說：“對生命至關(guān)重要的一個(gè)長期懸而未決的問題是，細(xì)胞如何設(shè)法產(chǎn)生蛋白質(zhì)，并在合成過程中將它們運(yùn)輸?shù)秸_的細(xì)胞目的地。”這項(xiàng)研究的資深作者。

在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇題??為“在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白靶向過程中核糖體上信號序列從NAC切換到SRP的機(jī)制”的文章中，Deuerling和她的團(tuán)隊(duì)解析了稱為NAC(新生多肽)的蛋白質(zhì)復(fù)合物的分子機(jī)制。-相關(guān)復(fù)合物)可逆地與真核核糖體結(jié)合，當(dāng)新合成的多肽鏈從核糖體隧道中出現(xiàn)時(shí)與它們相互作用，并將多肽中編碼的疏水性ER靶向信號序列交給信號識別顆粒(SRP)，一種蛋白質(zhì)-將蛋白質(zhì)靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的RNA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合物。

NAC充當(dāng)看門人的角色，使SRP能夠接觸到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的新生蛋白質(zhì)。(埃爾克·杜爾林)

NAC確保只有去往ER的蛋白質(zhì)才會傳遞至SRP。作者表明，目的地不是ER的新生蛋白質(zhì)會被NAC拒絕進(jìn)入SRP，NAC在此過程中充當(dāng)看門人的角色。

“我們已經(jīng)知道，兩個(gè)因素(稱為NAC和SRP)以及核糖體上合成的新生蛋白質(zhì)中的信號序列對于將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)具有決定性的重要性，但我們不了解它們?nèi)绾蜗嗷プ饔帽舜苏{(diào)節(jié)并確保正確的蛋白質(zhì)靶向，”Deuerling說。“該領(lǐng)域?qū)＜抑g的強(qiáng)有力的國際合作通過揭示NAC-SRP新生蛋白在核糖體上相互作用的分子細(xì)節(jié)解決了這個(gè)問題。”

早期的研究已經(jīng)確定NAC與核糖體出口處新合成的蛋白質(zhì)相互作用，并與SRP競爭以阻止細(xì)胞質(zhì)或線粒體的蛋白質(zhì)最終進(jìn)入ER。然而，SRP也可以非特異性地結(jié)合沒有ER信號的核糖體，并將其攜帶到ER。到目前為止，尚不清楚NAC如何阻止SRP與任何核糖體結(jié)合，以及如何通過ER靶向信號克服這種拮抗相互作用，以便只有正確的核糖體被轉(zhuǎn)運(yùn)到ER。

“如果不受控制，SRP會與附近的任何核糖體結(jié)合，然后將其轉(zhuǎn)運(yùn)到ER，無論當(dāng)前是否正在生產(chǎn)具有該目的地的蛋白質(zhì)。這將導(dǎo)致無數(shù)的錯誤傳遞，從而嚴(yán)重?fù)p害細(xì)胞的功能和活力，”杜爾林說。

Deuerling的團(tuán)隊(duì)與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、英國劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MRC-LMB)和加州理工學(xué)院的科學(xué)家合作，解決了這個(gè)難題。他們通過在試管中混合純化的核糖體、NAC和SRP來模擬體外細(xì)胞過程。然后他們將混合物快速冷凍至-150°C，并通過冷凍電子顯微鏡檢查樣品。

這使得結(jié)構(gòu)生物學(xué)家和該研究的合著者AhmadJomaa博士和ViswanathanChandrasekaran博士能夠確定在攜帶ER信號的新生肽轉(zhuǎn)移到SRP之前和之后NAC如何與核糖體結(jié)合。這澄清了NAC的看門人機(jī)制，但狀態(tài)之間的過渡仍不清楚。

“這種轉(zhuǎn)變是一個(gè)高度動態(tài)的過程，無法通過冷凍電子顯微鏡觀察到，”康斯坦茨大學(xué)的主要作者M(jìn)artinGamerdinger博士說。

Gamerdinger及其團(tuán)隊(duì)(博士研究員AnnalenaWallisch和ZeynelUlusoy)進(jìn)行的高分辨率生化結(jié)合研究表明，合成的蛋白質(zhì)類型控制著NAC與核糖體的相互作用。謝浩軒(Hao-HsuanHsieh)博士對成分之間的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助3D重建，使團(tuán)隊(duì)能夠破譯NAC排序功能的細(xì)節(jié)。

該研究得出的機(jī)制模型提出NAC使用兩個(gè)具有相反效果的域來控制SRP訪問。NAC的核心球狀結(jié)構(gòu)域可防止SRP與不帶有ER信號的核糖體結(jié)合，而靈活連接的結(jié)構(gòu)域可暫時(shí)抓住SRP以允許掃描新生肽。當(dāng)帶有ER靶向信號的肽從核糖體隧道中出現(xiàn)時(shí)，它會破壞NAC的球狀結(jié)構(gòu)域的穩(wěn)定性，從而使SRP能夠與正確的鏈結(jié)合并將其帶到ER。

Deuerling說：“我們的研究揭示了NAC作為看門人的分子功能，只允許SRP進(jìn)入那些目的地是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的新生蛋白質(zhì)。”

蛋白質(zhì)分選錯誤是許多疾病的機(jī)制基礎(chǔ)。杜爾林認(rèn)為，這項(xiàng)闡明重要細(xì)胞過程的研究將有助于推進(jìn)細(xì)胞生物學(xué)和生命科學(xué)多個(gè)領(lǐng)域的研究。

Deuerling和她的合作者，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的NenadBan博士、加州理工學(xué)院的Shu-ouShan博士和MRC-LMB的RamanujanHegde博士認(rèn)為，確定NAC是否在核糖體出口處發(fā)揮其他調(diào)節(jié)作用還需要進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)。

“有一個(gè)完整的‘歡迎委員會’，包括NAC和SRP，還有許多其他在新蛋白質(zhì)合成過程中與核糖體結(jié)合的因素，”Deuerling說。“下一步將是了解這些作用在蛋白質(zhì)生產(chǎn)線前端的因素如何在空間和時(shí)間上進(jìn)行協(xié)調(diào)，以確保蛋白質(zhì)組的完整性和細(xì)胞活力。”

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