Potranslacyjne Modyfikacje Białek I Ich Losy W Komórce

Transcript

Rozdział 28 Potranslacyjne modyfikacje białek i ich losy w komórce 28.1. Wewnątrzkomórkowy transport białek oraz ich wydzielanie Losy cząsteczki białka powstającego w procesie translacji są do pewnego stopnia zaprogramowane w zapisie genowym w postaci sekwencji kilku — kilkunastu aminokwasów. Od tych sekwencji zależy czy białko pozostanie w cytozolu lub powędruje do organelli (np. do mitochondriów), albo wreszcie czy zostanie wbudowane w błony czy też wydzielone z komórki. Wyróżnić można dwie główne drogi białek w komórce przedstawione na Rys. 28-1. Białka: cytoplazmatyczne jądrowe mitochondrialne plastydów peroksysomów Białka: wydzielnicze błony komórkowej ER aparatu Golgiego lizosomów uwalniane do cytoplazmy transport potranslacyjny przechodzą przez ER transport ko-translacyjny Rysunek 28-1: Dwie grupy białek wyróżnione ze względu na miejsce translacji i późniejsze losy.⋄ Białka pierwszej grupy powstają na polisomach utworzonych w cytoplazmie, po zakończeniu translacji są uwalniane do cytoplazmy i albo w niej pozostają (białka cytoplazmatyczne), albo są kierowane do różnych przedziałów komórkowych. Białka drugiej grupy są syntetyzowane na rybosomach przylegających do „szorstkiej” siateczki śródplazmatycznej (RER, ang. Rough Endoplasmic Reticulum) i już w trakcie syntezy są kierowane do wnętrza kanałów siateczki. Wiele z tych białek to białka wydzielnicze i białka błonowe, ale także białka funkcjonujące w obrębie siateczki śródplazmatycznej, aparatu Golgiego czy trafiające do lizosomów. Wszystkie białka tej grupy zawierają najczęściej na N-końcu charakterystyczną sekwencję określaną jako peptyd sygnałowy. Znane są także sekwencje, kierujące białka do poszczególnych organelli, określane jako sekwencje sygnałowe, adresowe lub kierujące (Tabela 28-1). Peptyd sygnałowy 360 Potranslacyjne modyfikacje białek i ich losy w komórce Tabela 28-1: Sekwencje kierujące białka do poszczególnych przedziałów komórkowych Adres Sekwencja Umiejscowienie w łańcuchu Do ER (i dalej) peptyd sygnałowy N-koniec Białka siateczki KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) C-koniec Do jądra sekwencja aa zasadowych np. KKKRK wewnątrz łańcucha Do mitochondriów sekw. aa hydrofobowych i zasadowych np. MLSLRQSIRFFKPATRTLSSRY* N-koniec Do peroksysomów SKL (Ser-Lys-Leu) blisko C-końca Do lizosomów mannozo-6-P (przyłączona do specyficznej domeny) domena utworzona przez kilka sekwencji wewnątrz łańcucha *wyróżniono aminokwasy zasadowe Peptydy sygnałowe różnych białek mają podobną budowę (Rys. 282) i są odpowiedzialne za to, że rybosom, który rozpoczął syntezę białka wydzielniczego (jak np. albumina wydzielana przez komórki wątroby czy insulina wydzielana przez komóreki β trzustki), przyłączy się do siateczki śródplazmatycznej. peptydaza sygnałowa N peptyd sygnałowy metionina reszta aminokwasowa zasadowa (Arg, Lys) dowolny aminokwas reszta aminokwasowa apolarna mała reszta aminokwasowa apolarna (np. Ala) Rysunek 28-2: Przykładowy peptyd sygnałowy.⋄ Kanał translokonu W procesie kierującym rybosom do ER uczestniczy para białek: SRP — cząstka rozpoznająca sygnał (ang. Signal Recognition Particle) oraz jej receptor, heterodimer wbudowany w błonę ER (Rys. 28-3). SRP rozpoznaje peptyd sygnałowy wynurzający się z rybosomu, wiąże go, a potem wiąże się ze swoim receptorem w błonie siateczki. Następnie dochodzi do przeniesienia rybosomu na kanał translokonu — struktury utworzonej przez trzy cząsteczki białka Sec61α przy współudziale białek Sec61β i γ. Peptyd sygnałowy zostaje zakotwiczony w kanale translokonu, a syntetyzowany łańcuch polipeptydowy wydłuża się do światła siateczki. Po zakończeniu syntezy białka rozpuszczalnego (synteza białek błonowych jest bardziej złożona) peptyd sygnałowy ulega 28.1. Wewnątrzkomórkowy transport białek oraz ich wydzielanie 361 przeniesieniu poza obręb kanału, gdzie dochodzi do proteolizy wiązania pomiędzy peptydem sygnałowym i resztą cząsteczki białka przez swoisty enzym, peptydazę sygnałową (Rys. 28-4). peptyd sygnałowy Rybosom N Rysunek 28-3: Oddziaływanie SRP — receptor SRP warunkuje syntezę białek wydzielniczych na rybosomach związanych z siateczką śródplazmatyczną.⋄ SRP a błona ER b receptor SRP A B mRNA N N błona ER błona ER C translokon peptyd sygnałowy C N D N C C peptydaza sygnałowa Rysunek 28-4: Etapy syntezy białka wydzielniczego. A, rybosom wiąże się z translokonem. Kanał, przez który białko wynurza się z rybosomu, zostaje umiejscowiony bezpośrednio nad kanałem translokonu. Peptyd sygnałowy zakotwicza się w kanale translokonu. B, łańcuch polipeptydowy jest syntetyzowany do wnętrza ER. C, po zakończonej syntezie następuje przesunięcie peptydu sygnałowego z kanału do błony i odcięcie go przez peptydazę sygnałową, co skutkuje uwolnieniem rozpuszczalnego białka do światła ER. D, po wędrówce i dojrzewaniu w ER i aparacie Golgiego białko zostanie wydzielone na zewnątrz komórki. N — N-koniec polipeptydu; C — C-koniec polipeptydu.⋄ 362 Potranslacyjne modyfikacje białek i ich losy w komórce Badania nad rolą szorstkiej siateczki śródplazmatycznej w wydzielaniu białek zainicjował George Palade (Nagroda Nobla w 1974 r.), a kontynuował jego uczeń G¨ unter Blobel, który wyjaśnił reguły wewnątrzkomórkowego transportu i segregacji białek oraz mechanizm translokacji peptydu przez błonę siateczki (Nagroda Nobla w 1999 r.). 28.2. Potranslacyjne modyfikacje białek Do dziś poznano kilkadziesiąt różnych potranslacyjnych modyfikacji białek. Wśród nich można wyróżnić: • Nieodwracalne modyfikacje warunkujące natywną, funkcjonalną strukturę białka (np. przyłączenie hemu do białkowego łańcucha cytochromu, hydroksylacja proliny i lizyny prokolagenu). Te modyfikacje następują jeszcze w trakcie — lub zaraz po translacji białka. • Odwracalne modyfikacje regulujące aktywność czy funkcję białka (np. fosforylacja, acetylacja). • Nieodwracalne modyfikacje prowadzące do degradacji białka (poliubikwitynacja). Wiele potranslacyjnych modyfikacji wymyka się tej klasyfikacji. Np. glikozylacja dla niektórych białek będzie warunkować ich aktywność, a dla innych będzie jedynie ułatwiać dojrzewanie i chronić przed degradacją proteolityczną. Rodzaj modyfikacji cząsteczki białka jest w dużym stopniu determinowany miejscem jego syntezy: innym modyfikacjom ulegają białka uwalniane do cytoplazmy, a innym białka wędrujące przez kanały siateczki endoplazmatycznej i aparatu Golgiego. Cząsteczki obu grup białek ulegają podczas syntezy fałdowaniu — przyjmują natywną trzeciorzędową, a niektóre czwartorzędową strukturę. Pomagają im w tym procesie białka opiekuńcze, czaperony (ang. chaperones), wśród których wiodącą rolę w komórkach eukariotycznych odgrywają białka z rodziny Hsp70. W siateczce śródplazmatycznej, oprócz białka opiekuńczego Bip (z rodziny Hsp70), dużą rolę odgrywają kalneksyna i kalretikulina — białka opiekuńcze dla glikoprotein. Dla przyjęcia prawidłowej struktury białek istotna jest również aktywność enzymu PDI, izomerazy disiarczkowej białek (ang. Protein Disulfide Isomerase). Enzym ten (występujący tylko w ER) może zmienić układ mostków disiarczkowych w syntetyzowanym białku dzięki oddziaływaniu swojej reszty cysteiny z mostkiem disiarczkowym białka (Rys. 28-5). Inny typ izomeraz — izomerazy peptydylo-prolilowe występujące zarówno w ER, jak i cytoplazmie, zmieniają konformację wiązania peptydowego przy reszcie proliny z trans na cis, umożliwiając tym samym specyficzne zgięcie łańcucha polipeptydowego. 28.2. Potranslacyjne modyfikacje białek S S PDI S S S 363 S S PDI S S S PDI S S S S S S S S S PDI S Rysunek 28-5: Rearanżacja mostków disiarczkowych przez PDI — schemat.⋄ Jedną z najpowszechniejszych modyfikacji zachodzących w ER jest glikozylacja (patrz Rozdział 17.5); ogromna większość białek przechodzących przez ER ulega tej modyfikacji (znanym wyjątkiem jest albumina). Niektóre reszty cukrowe glikoprotein mają właściwości kierowania białka do przedziałów subkomórkowych — mannozo-6-fosforan jest sygnałem do przekazania cząsteczki glikoproteiny do lizosomów. W procesach transportu i segregacji białek (ang. intracellular trafficking) ogromną rolę odgrywają receptory błonowe i system pęcherzyków wywodzących się z siateczki śródplazmatycznej i cystern Golgiego. Inną istotną modyfikacją niektórych białek (zachodzącą w aparacie Golgiego i pęcherzykach sekrecyjnych) jest ograniczona proteoliza. Usunięcie N-końcowego fragmentu (lub w przypadku insuliny wewnętrznego fragmentu peptydu) prowadzi do przyjęcia przez białko aktywnej konformacji. Zjawisko to dotyczy wielu enzymów proteolitycznych i hormonów produkowanych w formie tzw. probiałek (Rys. 28-6). p r e p r o b i a ł k o C N sekwencja sekwencja pre pro sekwencja dojrzałego białka Rysunek 28-6: Schemat budowy białka wydzielniczego produkowanego w formie nieaktywnego prekursora. W procesie dojrzewania białka najpierw zostaje odcięta sekwencja „pre” (zawierająca peptyd sygnałowy), a następnie sekwencja „pro”. Jeśli sekwencja „pro” znajduje się przy Nkońcu białka — białko dojrzałe będzie pojedynczym łańcuchem polipeptydowym różniącym się N-końcem od swojej proformy. Jeśli sekwencja „pro” znajduje się wewnątrz łańcucha, to dojrzałe białko będzie zbudowane z dwóch łańcuchów polipeptydowych, często (jak w przypadku insuliny) połączonych mostkami disiarczkowymi.⋄ Innym typem potranslacyjnych modyfikacji białek jest przyłączenie do nich hydrofobowych fragmentów pozwalających na zakotwiczenie polipeptydów w błonie. Przyłączenie kotwicy GPI (glikozylofosfatydyloinozytolowej, ang. GlycosylPhosphatidylInositol ) do pewnych białek, zachodzące wewnątrz ER, powoduje, że białka te nie ulegają wydzieleniu lecz pozostają zakotwiczone w błonie komórkowej na zewnątrz komórki Kotwice białek błonowych 364 Potranslacyjne modyfikacje białek i ich losy w komórce (Rys. 28-7). Do tak zakotwiczonych białek należą na przykład: CD14 — receptor LPS, PH20 — hialuronidaza plemników, niektóre metaloproteazy macierzy zewnątrzkomórkowej, białka powierzchni błony pierwotniaków (Toxoplasma, Leishmania ) czy białko prionowe PrP. Białka związane z błoną przez kotwicę GPI mogą być uwalniane przez fofosfolipazy C lub D rozpoznające fosfatydyloinozytol. N inozytol P reszta fosforanowa etanoloamina P P cukry i aminocukry błona komórkowa Rysunek 28-7: Kotwica GPI. Wiązanie kowalencyjne tworzy się pomiędzy grupą aminową etanoloaminy, a grupą karboksylową C-końcowego aminokwasu białka.⋄ Natomiast białka kierowane do cytoplazmy mogą ulegać zakotwiczeniu w błonie komórkowej od wewnątrz komórki, a także w błonach organelli komórkowych przez przyłączenie kwasu mirystynowego (do Nkońca), kwasu palmitynowego (do reszt cysteiny wewnątrz łańcucha peptydowego) lub związków izoprenowych: farnezylu lub geranylogeranylu (do reszt cysteiny blisko C-końca białka) (Rys. 28-8). Znaczenie przyłączania tego typu kotwic nie musi się ograniczać do umożliwienia błonowej lokalizacji białka, ale może mieć znaczenie regulatorowe, gdyż palmitylacji ulegają między innymi receptory siedmiokrotnie przebijające błonę komórkową (tzw. receptory metabotropowe). Mimo że synteza każdego białka zaczyna się od metioniny, ten aminokwas rzadko występuje na N-końcu dojrzałego białka. Dzieje się tak na skutek działania peptydazy sygnałowej lub specyficznych aminopeptydaz usuwających pierwszy (peptydaza metioninowa) ewentualnie także kolejny aminokwas. Usunięcie metioniny może warunkować mirystylację — przyłączenie kwasu mirystynowego zachodzi wówczas, gdy usunięcie metioniny odsłoni glicynę (istotny jest także aminokwas w pozycji 6, patrz Rys. 28-8). Najlepiej zbadaną odwracalną modyfikacją białek, regulującą ich aktywność jest fosforylacja (omawiana w Części I i II). Coraz więcej uwagi badaczy przyciąga acetylacja i metylacja — modyfikacje dotyczące głównie (choć nie tylko) białek jądrowych. Wzór metylacji i acetyla- 28.2. Potranslacyjne modyfikacje białek 365 cji histonów w danym obszarze chromatyny jest kluczowy dla procesu transkrypcji genów znajdujących się w tym miejscu. O H C O N-Gly-X-X-X-Ser/Thr kotwica mirystylowa (C14) O C O S-Cys kotwica palmitylowa (C16) O Cys C O CH 3 S kotwica farnezylowa (C15) O Cys C O CH 3 S kotwica geranylogeranylowa (C20) Rysunek 28-8: Sposoby zakotwiczania białek wewnątrzkomórkowych w błonach.⋄ Białka zdenaturowane, nieprawidłowo sfałdowane lub rozpoznawane jako obce są kierowane do całkowitej degradacji w proteasomie przez naznaczenie ich na drodze poliubikwitynacji (patrz: Rozdział 7.2.3). Polega ona na kowalencyjnym połączeniu ubikwityny (Ub), 76-aminokwasowego powszechnie występującego polipeptydu, do grupy ω-NH2 reszty lizyny danego białka. Do pierwszej przyłączonej Ub zostają przyłączone kolejne cząsteczki Ub (przez resztę lizyny 48 ubikwityny). Ten typ kierowania do degradacji dotyczy również białek krótkożyjących, zawierających degrony — sygnały degradacji. Rola ubikwitynacji Najlepiej poznanym degronem jest N-degron stanowiący po prostu N-końcowy aminokwas białka. Degradacja zachodzi zgodnie z regułą N-końca (ang. the N-end rule): jeśli Nkońcowym aminokwasem białka jest aminokwas zasadowy (Arg, Lys, His) lub aminokwas o dużej hydrofobowej grupie bocznej (Leu, Ile, Trp, Tyr, Phe) to takie białko ulega szybkiej degradacji. Choć początkowo przypuszczano, że ubikwitynacja prowadzi zawsze do degradacji białka, to jednak późniejsze badania wykazały, że w zależności od sposobu przyłączenia tego polipeptydu do cząsteczki białka, Ub może pełnić również funkcje regulujące jego aktywność (Rys. 28-9). 366 Potranslacyjne modyfikacje białek i ich losy w komórce Mono-Ub Multi-Ub Endocytoza Naprawa DNA Regulacja histonów K K K K białko ulegające ubikwitynacji ubikwityna Endocytoza K Poli-Ub K reszta lizyny K48 - degradacja K63 - naprawa DNA endocytoza Rysunek 28-9: Różne funkcje ubikwitynacji. Pojedyncza cząsteczka ubikwityny przyłączona do jednej reszty lizyny w białku (monoubikwitynacja) reguluje aktywność histonów oraz białek zaangażowanych w endocytozę i naprawę DNA. Pojedyncze cząsteczki ubikwityny przyłączone do kilku reszt lizyny w białku (multiubikwitynacja) reguluje aktywność białek zaangażowanych w endocytozę. W przypadku poliubikwitynacji: jeśli kolejne cząsteczki Ub przyłączają się do już związanej z białkiem Ub poprzez reszty lizyny 48 — stanowi to sygnał do degradacji; jeśli kolejne reszty Ub przyłączają się poprzez Lys 63 — zachodzi regulacja aktywności niektórych białek zaangażowanych w endocytozę i naprawę DNA.⋄