1、第七章 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng),醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué),授課教師：許重潔 副教授 E-mail：,目 錄,第七章 細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng),第五節(jié) 蛋白質(zhì)的分選,一、分泌蛋白合成的模型信號(hào)假說,二、蛋白質(zhì)分選的基本途徑與類型,二、蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃姆N類型,四、三種不同類型的包被小泡,除線粒體和葉綠體中能合成少量蛋白質(zhì)外，絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)均在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體上開始合成，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞的特定部位，這一過程稱蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運(yùn)（protein targeting）或分選（sorting）。 分泌蛋白合成的模型信號(hào)假說 蛋白質(zhì)分選與分選信號(hào) 膜泡運(yùn)輸,第五節(jié) 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選,信號(hào)假說(Signal hypothes

2、is) 。 GBlobel et al：Signal hypothesis,1975。 蛋白質(zhì)N-端的信號(hào)肽（signal peptide）。 信號(hào)識(shí)別顆粒（signal recognition particle，SRP）。 信號(hào)識(shí)別顆粒的受體（又稱停泊蛋白docking protein，DP）等。,一、分泌蛋白合成的模型信號(hào)假說,信號(hào)肽,編碼分泌蛋白的mRNA，在起始密碼子AUG之后，緊跟著一組特定的信號(hào)密碼子（約有45-90核苷酸），由此編碼一段多肽。 多肽鏈的開始合成在游離核糖體上，信號(hào)密碼子轉(zhuǎn)譯信號(hào)肽（signal peptide ）,信號(hào)肽的兩個(gè)基本作用是:通過與SRP（信號(hào)肽識(shí)別顆

3、粒）的識(shí)別和結(jié)合, 引導(dǎo)核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合; 通過信號(hào)序列的疏水性,引導(dǎo)新生肽跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。,信號(hào)肽的兩個(gè)基本作用,信號(hào)識(shí)別顆粒,信號(hào)識(shí)別顆粒（signal recognition particle，SRP）它既可與新生肽信號(hào)序列和核糖體結(jié)合，又可與停泊蛋白結(jié)合。 它能特異識(shí)別結(jié)合信號(hào)肽。SRP占據(jù)核糖體的A位，阻擋了攜帶氨基酸的tRNA進(jìn)入核糖體，使蛋白質(zhì)的合成暫時(shí)中止。,信號(hào)識(shí)別顆粒的受體,信號(hào)識(shí)別顆粒的受體（又稱停泊蛋白,docking protein，DP）等 存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，可特異地與信號(hào)識(shí)別蛋白結(jié)合。 過程: 信號(hào)肽信號(hào)識(shí)別顆粒信號(hào)識(shí)別顆粒的受體 合成,9,9,9,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔,細(xì)胞質(zhì),S

4、RP受體,信號(hào)識(shí)別顆粒,(SRP),核糖體結(jié)合蛋白,tRNA,A,P,核糖體,mRNA,信號(hào)肽,A,引導(dǎo)肽鏈穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的信號(hào)肽可以看作開始轉(zhuǎn)移序列（start transfer sequence） 。肽鏈中還可能有某些序列與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)有很強(qiáng)的親和力而結(jié)合在脂雙層中，這段序列不再轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，稱為停止轉(zhuǎn)移序列（stop transfer sequence）。,如果一種多肽鏈只有N端信號(hào)序列而沒有停止序列，那么這種多肽合成后一般進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中； 如果一種多肽的停止序列位于分子的中部，那么這種多肽最終會(huì)成為跨膜蛋白。含有多個(gè)起始序列和多個(gè)停止序列的多肽將成為多次跨膜的膜蛋白。,多個(gè)起始與終止跨膜信號(hào)

5、,起始轉(zhuǎn)移序列和終止轉(zhuǎn)移序列的數(shù)目決定多肽跨膜次數(shù)。,2.合成起始后轉(zhuǎn)入RER腔中或嵌入ER膜中，隨后經(jīng)高爾基體至溶酶體、細(xì)胞膜或分泌到細(xì)胞外，或作為ER和高爾基體自身的蛋白質(zhì)。,1.在胞質(zhì)合成,然后轉(zhuǎn)運(yùn)至膜圍繞的細(xì)胞器。,二、蛋白質(zhì)分選的基本途徑與類型,蛋白質(zhì)分選信號(hào)是蛋白質(zhì)分子上的一段特殊的氨基酸序列，稱為信號(hào)肽（signal peptide）。定位于不同部位的蛋白質(zhì)，其信號(hào)肽的氨基酸序列及其在蛋白質(zhì)中的位置是不同的，從而決定蛋白質(zhì)的不同去向。,游離核糖體負(fù)責(zé)合成輸送到細(xì)胞核、線粒體、溶酶體、過氧化物酶體的蛋白質(zhì)，以及駐留在胞質(zhì)溶膠的蛋白質(zhì)。,跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) （transmembrane tra

6、nsport）,主要指在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體和過氧化物酶體等細(xì)胞器，但進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與進(jìn)入線粒體和過氧化物酶體等細(xì)胞器的機(jī)制有所不同。進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與進(jìn)入線粒體和過氧化物酶體等細(xì)胞器的蛋白質(zhì)分選，是一個(gè)多步過程，需要多個(gè)不同的尋靶序列（targetting sequences）.,核編碼蛋白質(zhì)如何進(jìn)入線粒體、葉綠體 1.在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成多肽前體物； 2.前體物同細(xì)胞器表面受體結(jié)合； 3.穿膜進(jìn)入細(xì)胞器內(nèi)； 4.前體物被加工成成熟多肽。,蛋白質(zhì)分選的基本途徑與類型,輸送到細(xì)胞核的蛋白質(zhì)帶有核定位信號(hào)(nuclear localization signal, NLS)或稱為核輸入

7、信號(hào)(nuclear import signal, NIS)；是一類富含堿性氨基酸的短肽，可位于蛋白質(zhì)的任何部位。,輸送到線粒體的蛋白質(zhì)其氨基端有一螺線信號(hào)。 輸送到過氧化物酶體的蛋白質(zhì)其羧基端有一個(gè)三肽信號(hào)。 輸送到ER的蛋白質(zhì)，其信號(hào)肽位于氨基端。,蛋白質(zhì)的分選信號(hào)與運(yùn)輸途徑(1),輸送到調(diào)節(jié)性分泌小泡中的分泌性蛋白質(zhì)帶有濃縮信號(hào)(concentrating signal)；,輸送到溶酶體的蛋白質(zhì)帶有甘露糖糖-6-磷酸信號(hào)；,駐留在ER的蛋白質(zhì)，在其羧基端有KDEL信號(hào)(Lys-Asp-Glu-Leu-COO，賴-天-谷 -亮)；,駐留在Gc的蛋白質(zhì)，帶有跨膜螺線信號(hào)。,定位于胞質(zhì)和細(xì)胞表

8、面的蛋白質(zhì)沒有分選信號(hào)，這種定位方式稱為違約或欠缺途徑(default pathway)。,蛋白質(zhì)的分選信號(hào)與運(yùn)輸途徑(2),繼信號(hào)肽后，又發(fā)現(xiàn)了一系列蛋白質(zhì)分選信號(hào)(sorting signals )序列(見下表)），通稱信號(hào)序列。,23,選擇性的門控運(yùn)輸(gated t.)。 跨膜運(yùn)輸(transmembrane t.)。 膜泡運(yùn)輸(vesicular t.)。 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。,三、蛋白運(yùn)輸?shù)乃姆N基本類型,（一）選擇性的門控運(yùn)輸,通過核孔的運(yùn)輸（Transport through nuclear pore） 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)通過核孔選擇性地完成核輸入和核輸出。輸送到細(xì)

9、胞核的蛋白質(zhì)帶有核定位信號(hào)(nuclear localization signal, NLS)或稱為核輸入信號(hào)(nuclear import signal, NIS)；是一類富含堿性氨基酸的短肽，可位于蛋白質(zhì)的任何部位。,（二）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn),現(xiàn)在還不了解,（三）跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),主要指在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體和過氧化物酶體等細(xì)胞器，蛋白質(zhì)分選是一個(gè)多步過程，需要多個(gè)不同的尋靶序列（targetting sequences）.,（四）Vesicle transport (膜泡運(yùn)輸 ）,細(xì)胞內(nèi)部?jī)?nèi)膜系統(tǒng)各個(gè)部分之間的物質(zhì)傳遞也可通過膜泡運(yùn)輸方式進(jìn)行，即胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸(ves

10、icular transport in cytoplasm)。 胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸需要10種以上的運(yùn)輸小泡，目前對(duì)三種有被運(yùn)輸研究的較多。,胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸沿微管運(yùn)行,細(xì)胞內(nèi)部?jī)?nèi)膜系統(tǒng)各個(gè)部分之間的物質(zhì)傳遞也通過膜泡運(yùn)輸方式進(jìn)行。如從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體；高爾基體到溶酶體；細(xì)胞分泌物的外排，都要通過過渡性小泡進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。 胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸沿微管運(yùn)行，動(dòng)力來自馬達(dá)蛋白(motor proteins)。目前已發(fā)現(xiàn)的馬達(dá)蛋白有兩種：一種是動(dòng)力蛋白(dynein)，可沿微管向負(fù)端移動(dòng)；另一種為驅(qū)動(dòng)蛋白(kinesin)，可牽引物質(zhì)向微管的正端移動(dòng)。通過這兩種蛋白的作用，可使膜泡被運(yùn)抵一定區(qū)域。,膜泡運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn),膜泡運(yùn)輸是

11、蛋白運(yùn)輸?shù)囊环N特有的方式，普遍存在于真核細(xì)胞中。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不僅涉及蛋白本身的修飾、加工和組裝，還涉及到多種不同膜泡定向運(yùn)輸及其復(fù)雜的調(diào)控過程。,四、三種不同類型的包被小泡具有不同的物質(zhì)運(yùn)輸作用,網(wǎng)格蛋白包被小泡 COPII包被小泡 COPI包被小泡,Targeting lysosomal enzymes to lysosomes,Coated vesicles,（一）網(wǎng)格蛋白包被小泡,負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)從高爾基體TGN質(zhì)膜、胞內(nèi)體或溶酶體和植物液泡運(yùn)輸 在受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)吞途徑也負(fù)責(zé)將物質(zhì)從質(zhì)膜內(nèi)吞泡(細(xì)胞質(zhì)) 胞內(nèi)體溶酶體運(yùn)輸 高爾基體TGN是網(wǎng)格蛋白包被小泡形成的發(fā)源地,網(wǎng)格蛋白分子由3個(gè)重鏈和

12、3個(gè)輕鏈組成,形成一個(gè)具有3個(gè)曲臂的形狀（triskelion）。許多網(wǎng)格蛋白的曲臂部分交織在一起，形成一個(gè)具有5邊形網(wǎng)孔的籠子。,The structure of clathrin: A. electron micrograph，B.分子模型，C.衣被模型,clathrin -coated vesicle,結(jié)合素蛋白,The formation of clathrin-coated vesicles at the TGN,當(dāng)網(wǎng)格蛋白衣被小泡形成時(shí)，可溶性蛋白動(dòng)力素（dynamin）聚集成一圈，圍繞在芽的頸部，將小泡柄部的膜盡可能地拉近（1.5nm），從而導(dǎo)致膜融合，掐斷衣被小泡。,The r

13、ole of dynamin in the formation of clathrin-coated vesicles,Molecular organization of a coated vesicle,The formation of clathrin-coated vesicles at the TGN,（二）COPII包被小泡,負(fù)責(zé)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體的物質(zhì)運(yùn)輸； COPII包被蛋白由5種蛋白亞基組成； 包被蛋白的裝配是受控的； COPII包被小泡具有對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的選擇 性并使之濃縮。,the assembly of the COP-coated vesicle,COP 衣被由多種蛋白質(zhì)構(gòu)成

14、，其中Sar1GTP酶與Sec23/Sec24復(fù)合體結(jié)合在一起，形成緊緊包圍著膜的一層衣被，Sec13/Sec31復(fù)合體形成覆蓋在外圍的一層衣被。,COPII包被小泡的裝配 Sar-GTP與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的結(jié)合起始COPII亞基的裝配，跨膜受體在腔面捕獲并富集被轉(zhuǎn)運(yùn)的可溶性蛋白 ,形成小泡的包被并出芽,（三）COPI包被小泡, COPI包被含有8種蛋白亞基，包被蛋白復(fù)合物的裝配與去裝配依賴于ARF(GTP-binding protein)； 負(fù)責(zé)回收、轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白(escaped proteins） ER。 細(xì)胞器中保留及回收蛋白質(zhì)的兩種機(jī)制： 轉(zhuǎn)運(yùn)泡將應(yīng)被保留的駐留蛋白排斥在外，防止出芽轉(zhuǎn)運(yùn)

15、； 通過識(shí)別駐留蛋白C-端的回收信號(hào)(lys-asp-glu-leu,KDEL)的特異性受體，以COPI-包被小泡的形式捕獲逃逸蛋白。,Accumulation of COP-coated vesicles,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白的回收?qǐng)D解,在細(xì)胞合成與分泌途徑中不同膜組分之間三種不同的膜泡運(yùn)輸方式: 1.網(wǎng)格蛋白包被小泡介導(dǎo)從高爾基體TGN質(zhì)膜和胞內(nèi)體及溶酶體的運(yùn)輸； 2.COPII包被小泡介導(dǎo)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體的運(yùn)輸； 3.COPI包被小泡負(fù)責(zé)將蛋白從高爾基體 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。,膜泡融合是特異性的選擇性融合，從而指導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)膜流的方向 選擇性融合基于供體膜蛋白與受體膜蛋白的特異性相互作用,膜泡運(yùn)輸是特異性過程

16、，涉及多種蛋白識(shí)別、組裝-去組裝的復(fù)雜調(diào)控,囊泡與靶細(xì)胞器的特定錨定與融合,膜泡沿著微管被運(yùn)輸?shù)桨屑?xì)胞器，馬達(dá)蛋白水解ATP提供能量。 各類運(yùn)輸小泡能夠被準(zhǔn)確地和靶膜融合，是因?yàn)檫\(yùn)輸小泡表面的標(biāo)志蛋白能被靶膜上的受體識(shí)別，其中涉及識(shí)別過程的兩類關(guān)鍵性的蛋白質(zhì)是SNAREs(soluble NSF attachment protein receptor，NSF：N-ethylmaleimide-sensitive factor)和Rabs(targeting GTPase)。 SNARE介導(dǎo)膜泡特異性停泊和融合，Rab使運(yùn)輸小泡靠近靶膜。,囊泡與靶細(xì)胞器間的特異性識(shí)別,位于運(yùn)輸小泡上的VAMP(

17、vesicle-associated membrane protein)相關(guān)蛋白叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs(圖)。 兩種SNAREs都具有一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)域，能相互纏繞形成跨SNAREs復(fù)合體(圖)，并通過這個(gè)結(jié)構(gòu)將運(yùn)輸小泡的膜與靶膜拉在一起，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸小泡特異性停泊和融合。,Proposed steps in the targeting of transport vesicles to target membranes,A model of the interactions between v- and t- SNAREs leading to membrane fus

18、ion and exocytosis,biosynthetic/secretory and endocytic pathways that unite endomembranes into a dynamic,interconnected network,在細(xì)胞的膜泡運(yùn)輸中，糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相當(dāng)于重要的物質(zhì)供應(yīng)站，而高爾基體是重要集散中心。由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的駐留蛋白具有回收信號(hào)，即使有的蛋白發(fā)生逃逸，也會(huì)保留或回收回來，所以有人將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)比喻成“開放的監(jiān)獄” 。,本節(jié)小結(jié),一、信號(hào)肽假說 二、蛋白質(zhì)的分選 三、蛋白運(yùn)輸?shù)乃姆N類型 四、三種不同類型的包被小泡,1.名詞解釋：信號(hào)肽 膜泡運(yùn)輸 2.以分泌蛋白為例說明信號(hào)肽假說的內(nèi)容 3.說明蛋白質(zhì)合成的翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)途徑和共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)途徑。 4.請(qǐng)以分泌蛋白為例說明內(nèi)膜系統(tǒng)中的物質(zhì)流動(dòng)和變化過程。 5.說明三種不同類型的包被小泡物質(zhì)運(yùn)輸作用的不同。 6.蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃姆N類型。,作業(yè)與思考,參 考