1、第八章第八章 蛋白質分選與膜泡運輸蛋白質分選與膜泡運輸Protein Sorting and Vesicular Transporting 任麗任麗第八章內容概要第八章內容概要 細胞內蛋白質的分選細胞內蛋白質的分選 (Protein Sorting) 細胞內膜泡運輸細胞內膜泡運輸 (Vesicular Transporting)第一節第一節 細胞內蛋白質分選細胞內蛋白質分選 (Protein Sorting)細胞內蛋白質分選簡介細胞內蛋白質分選簡介信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號蛋白質分選轉運的基本途徑與類型蛋白質分選轉運的基本途徑與類型蛋白質向線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分

2、選蛋白質向線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選 1.1 細胞內蛋白質分選簡介細胞內蛋白質分選簡介蛋白質分選蛋白質分選 (Protein Sorting)：細胞中蛋白質種類極多，蛋白質：細胞中蛋白質種類極多，蛋白質發揮結構或功能作用的部位幾乎遍布細胞的各種區間或組分，發揮結構或功能作用的部位幾乎遍布細胞的各種區間或組分，因此必然存在不同的機制以確保蛋白質分選，轉運至細胞的特因此必然存在不同的機制以確保蛋白質分選，轉運至細胞的特定部位，也只有定部位，也只有蛋白質各就各位蛋白質各就各位并組裝成并組裝成結構與功能的復合體結構與功能的復合體，才能參與實現細胞的各種生命活動。這一過程稱為蛋白質分，才能參與實

3、現細胞的各種生命活動。這一過程稱為蛋白質分選，或選，或蛋白質尋靶蛋白質尋靶 (protein targeting)。 發揮結構或功能作用的部位各異發揮結構或功能作用的部位各異導致細胞存在多種蛋白質分導致細胞存在多種蛋白質分選機制選機制 蛋白質分選與組裝是涉及蛋白質分選與組裝是涉及多種信號調控多種信號調控的復雜而重要的細胞的復雜而重要的細胞生物學熱點問題生物學熱點問題 1.2 信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號信號假說信號假說 (Signal hypothesis)1975年，年，Gnter Blobel和其和其同事同事David Sabatini推測分泌推測分泌蛋白可能攜帶蛋白可

4、能攜帶N端短信號序端短信號序列，一旦該序列從核糖體翻列，一旦該序列從核糖體翻譯合成，組合因子和蛋白結譯合成，組合因子和蛋白結合，指導其轉移到內質網膜合，指導其轉移到內質網膜，后續翻譯過程將在內質網，后續翻譯過程將在內質網膜上進行。膜上進行。The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1999 was awarded to Gnter Blobel for the discovery that proteins have intrinsic signals that govern their transport and localization in th

5、e cell. 1.2 信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號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信號肽為例，顯示出兩信號肽為例，顯示出兩者信號肽一級序列由者信號肽一級序列由疏水核心疏水核心、C端端和和N端端3個區域構成。個區域構成。信號肽的一級結構序列信號肽的一級結構序列 1.2 信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號 蛋白質蛋白質N端的端的信號肽信號肽 (signal peptide) 信號識別顆粒信號識別顆粒 (signal recognition particle, SRP)細胞質基質細胞質基質 信號識別顆粒受體信號識別顆粒受

6、體 (停泊蛋白，停泊蛋白，docking protein, DP)內質網膜內質網膜指導分泌性蛋白質在糙面內質網上合成的指導分泌性蛋白質在糙面內質網上合成的決定因素決定因素： 1.2 信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號在非細胞系統中蛋白質的翻譯過程與在非細胞系統中蛋白質的翻譯過程與SRP、DP和微粒體的關系和微粒體的關系共翻譯轉運共翻譯轉運 (cotranslational translocation)：應用體外非細胞系統進行：應用體外非細胞系統進行蛋白質合成實驗，證實分泌性蛋白向蛋白質合成實驗，證實分泌性蛋白向rER (微粒體微粒體) 腔內的轉運是同蛋白腔內的轉運是同蛋白質翻譯過

7、程偶聯進行的，分泌蛋白在信號肽引導下邊翻譯邊跨膜轉運。質翻譯過程偶聯進行的，分泌蛋白在信號肽引導下邊翻譯邊跨膜轉運。 1.2 信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號分泌性蛋白在內質網上合成的分泌性蛋白在內質網上合成的共翻譯轉運共翻譯轉運過程過程圖示信號肽、圖示信號肽、SRP、DP及移位子之間的相互作用及移位子之間的相互作用 1.2 信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號內質網膜整合蛋白的拓撲學類型內質網膜整合蛋白的拓撲學類型 開始轉移序列、停止轉移錨定序列開始轉移序列、停止轉移錨定序列 (STA)、內在信號錨定序列、內在信號錨定序列 (SA) 1.3 蛋白質分選轉運的基本途

8、徑與類型蛋白質分選轉運的基本途徑與類型核基因編碼的蛋白質的分選核基因編碼的蛋白質的分選后翻譯轉運途徑后翻譯轉運途徑1. 共翻譯轉運途徑共翻譯轉運途徑蛋白質轉運分類蛋白質轉運分類 (根據蛋白質分選的不同轉運方式根據蛋白質分選的不同轉運方式)蛋白質的跨膜轉運蛋白質的跨膜轉運膜泡運輸膜泡運輸選擇性的門控轉運選擇性的門控轉運1. 細胞質基質中蛋白質的轉運細胞質基質中蛋白質的轉運 1.3 蛋白質分選轉運的基本途徑與類型蛋白質分選轉運的基本途徑與類型真核細胞蛋白質分選的主要途徑與類型真核細胞蛋白質分選的主要途徑與類型 1.2 信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號指導蛋白質從細胞質基質轉運到細胞

9、器的靶向序列的主要特征指導蛋白質從細胞質基質轉運到細胞器的靶向序列的主要特征 1.4 蛋白質線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選蛋白質線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選后翻譯轉運途徑后翻譯轉運途徑核基因編碼的線粒體蛋白的轉運核基因編碼的線粒體蛋白的轉運 1.4 蛋白質線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選蛋白質線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選后翻譯轉運途徑后翻譯轉運途徑葉綠體蛋白從細胞質基質注入到類囊體腔葉綠體蛋白從細胞質基質注入到類囊體腔 1.4 蛋白質線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選蛋白質線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選PTS1指導的過氧化物酶體基質指導的過氧化物酶體基質蛋白的輸入蛋白的輸

10、入第一節第一節 細胞內蛋白質分選細胞內蛋白質分選 要點回顧要點回顧細胞內蛋白質分選簡介細胞內蛋白質分選簡介信號假說與蛋白質分選信號信號假說與蛋白質分選信號蛋白質分選轉運的基本途徑與類型蛋白質分選轉運的基本途徑與類型蛋白質向線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選蛋白質向線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的分選第二節細胞內膜泡運輸第二節細胞內膜泡運輸 (Vesicular Transporting)膜泡運輸概觀膜泡運輸概觀COP包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與運輸COP包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與運輸網格蛋白網格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸轉運膜泡與靶膜的錨定和

11、融合轉運膜泡與靶膜的錨定和融合 2.1 膜泡運輸概觀膜泡運輸概觀蛋白質的分泌與胞吞途蛋白質的分泌與胞吞途徑徑蛋白質通過共翻譯轉運途蛋白質通過共翻譯轉運途徑跨膜運輸徑跨膜運輸內質網出芽，形成高爾基內質網出芽，形成高爾基體順面網狀結構體順面網狀結構逆向轉運逆向轉運高爾基體膜從順面至反面高爾基體膜從順面至反面的成熟遞進的成熟遞進逆向運輸逆向運輸組成型分泌組成型分泌調節型分泌調節型分泌分選到溶酶體分選到溶酶體1.胞吞途徑胞吞途徑 2.1 膜泡運輸概觀膜泡運輸概觀蛋白質轉運中涉及的三種包被膜泡蛋白質轉運中涉及的三種包被膜泡 COP II (coat protein II) 包被膜泡包被膜泡 COP I

12、(coat protein I) 包被膜泡包被膜泡 網格蛋白網格蛋白/接頭蛋白包被膜泡接頭蛋白包被膜泡 2.1 膜泡運輸概觀膜泡運輸概觀在細胞合成在細胞合成-分泌與內吞途徑中分泌與內吞途徑中3種不同的主要膜泡運輸方式種不同的主要膜泡運輸方式COP包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與運輸COP包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與運輸網格蛋白網格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸裝配與運輸 2.2 COP包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與運輸Sar1蛋白在蛋白在COP包被膜泡裝配與去裝配中作用模型包被膜泡裝配與去裝配中作用模型 2.2 COP包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與

13、運輸已知的指導蛋白質包裝到特異性轉運膜泡的分選信號已知的指導蛋白質包裝到特異性轉運膜泡的分選信號 2.3 COP I包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與運輸不同類型的膜泡運輸不同類型的膜泡運輸的分選信號的分選信號 2.4 網格蛋白網格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸網格蛋白、多角形網格包被結構網格蛋白、多角形網格包被結構及發動蛋白接到的網格蛋白及發動蛋白接到的網格蛋白/接頭接頭蛋白包被膜泡的形成示意圖蛋白包被膜泡的形成示意圖 2.5 轉運膜泡與靶膜的錨定和融合轉運膜泡與靶膜的錨定和融合在供體膜和靶膜之間膜泡的錨定與融合模式圖解在供體膜和靶膜之間膜泡的錨定與融合模式

14、圖解第二節細胞內膜泡運輸第二節細胞內膜泡運輸 要點回顧要點回顧膜泡運輸概觀膜泡運輸概觀COP包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與運輸COP包被膜泡的裝配與運輸包被膜泡的裝配與運輸網格蛋白網格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸轉運膜泡與靶膜的錨定和融合轉運膜泡與靶膜的錨定和融合 課后思考題課后思考題何謂分泌型蛋白合成的信號肽學說，涉及的主要組分如何謂分泌型蛋白合成的信號肽學說，涉及的主要組分如何協同作用？何協同作用？試述分泌蛋白的合成、加工及轉運途徑。試述分泌蛋白的合成、加工及轉運途徑。試述細胞內膜泡運輸的概況、類型及其各自主要功能。試述細胞內膜泡運輸的概況、類型及其

15、各自主要功能。怎樣理解細胞結構組裝的生物學意義？怎樣理解細胞結構組裝的生物學意義？ 擴展閱讀擴展閱讀Dolezal P, et al. Evolution of the molecular mechines for protein import into mitochondria. Science, 2006, 313: 314-318.Edeling MA, et al. Life of a clathrin coat: insights from clathrin and AP structures. Nat Rev Mol Cell Biol, 2006, 7: 32-44.Gevork

16、yan-Airapetov L, et al. Interaction of Tim23 with Tim50 is essential for protein translocation by the mitochondrial TIM23 complex. J Biol Chem, 2009, 284: 4865-4872.Grosshans BL, et al. Rabs and their effectors: achieving specificity in membrane traffic. Proc Natl Acad Sci USA, 2006, 103: 11821-1182

17、7.Gurkan C et al. The COP II cage: unifying principles of vesicle coat assembly. Nat Rev Mol Cell Biol, 2006, 7: 727-738.Jahn R, Scheller RH. SNAREsengines for membrane fusion. Nat Rev Mol Cell Biol, 2006, 7: 631-643.Martens S, McMahon HT. Mechanisms of membrane fusion: disparate players and common

18、principles. Nat Rev Mol Cell Biol, 2008, 9: 543-556.Mokranjac D, Neupert W. Protein import into mitochondria. Biochem Soc Trans, 2005, 33: 1019-1023.Neupert W, Herrmann JM. Translocation of proteins into mitochondria. Annu Rev Biochem, 2007, 76: 723-749.Soll J, Schleiff E. Protein import into chloroplasts. Nat Rev Mol Cell Biol, 2004, 5: 198-208.Wicknelr W, Schekman R. Protein translocation across bio