蛋白質(zhì)分選的共翻譯轉(zhuǎn)運途徑*

方雪靜 俞如旺

（福建師范大學生命科學學院 福建福州 350117）

核基因編碼的蛋白質(zhì)在胞質(zhì)中游離的核糖體起始合成后，需要分選與轉(zhuǎn)運到特定的功能位點，也稱蛋白質(zhì)尋靶（protein targeting）。其分選途徑大致可分為2 條：①后翻譯轉(zhuǎn)運途徑：蛋白質(zhì)在胞質(zhì)中完成翻譯后才進行轉(zhuǎn)運，線粒體、葉綠體及過氧化物酶體中的蛋白質(zhì)多采用該途徑進入細胞器；②共翻譯轉(zhuǎn)運途徑：蛋白質(zhì)先在游離的核糖體中合成一小段后，在信號肽的指導下邊合成邊轉(zhuǎn)運到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，經(jīng)過加工最終分選到溶酶體、液泡等細胞結(jié)構(gòu)，有的分泌至胞外。

人教版普通高中生物學必修1（2019 版）進一步明確了分泌蛋白的起始合成是在游離的核糖體上，通過共翻譯轉(zhuǎn)運途徑分泌到細胞外，糾正了舊教材中的“最初是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體中由氨基酸合成肽鏈”。本文將詳細闡述該途徑。

1 共翻譯轉(zhuǎn)運機制的探究史

20世紀60年代，喬治·帕拉德（George Palade）發(fā)現(xiàn)細胞質(zhì)中的游離核糖體產(chǎn)生非分泌蛋白，而附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體則產(chǎn)生分泌蛋白。Palade 的學生岡特·布洛貝爾（Gūnter Blobel）認為產(chǎn)生該差異的原因不在于核糖體，而在于蛋白質(zhì)自身［1］。他從分泌蛋白轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的過程入手，對蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運展開研究，并抓住了2 條線索：①成熟蛋白質(zhì)的氨基酸序列總比初生蛋白質(zhì)更短一些；②蛋白質(zhì)的翻譯和轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的過程似乎是同步進行的。

1975年，Blobel 和戴維·薩巴蒂尼（David Sabatini）提出“信號假說”，認為分泌蛋白的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)靶向性是由蛋白質(zhì)N 端上的一個信號序列確定的。該信號序列被結(jié)合因子識別后，將指導部分合成的蛋白質(zhì)及其核糖體到達內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，后續(xù)的蛋白質(zhì)合成將在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進行。受到Palade 研究的啟發(fā)，Blobel 等設(shè)計了一種蛋白質(zhì)的體外翻譯—轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。該系統(tǒng)高度保守：編碼分泌蛋白的人的mRNA、兔的核糖體、狗的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和酵母細胞膜的混合物可合成人蛋白，為信號假說提供了實驗證據(jù)［2］。

1980年，Blobel 和Walter 發(fā)現(xiàn)了與信號序列相互作用的胞質(zhì)核糖核蛋白顆粒，即信號識別顆粒（稱為“SRP”），并證實其能介導新生肽—核糖體復合物與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合。隨后近20年的時間，生物學家又相繼發(fā)現(xiàn)了參與核糖體靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中特定的SRP 受體、通過共翻譯去除信號肽的信號肽酶，以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的轉(zhuǎn)運通道蛋白，使“信號假說”逐漸系統(tǒng)化［3］。Blobel 由此獲得了1999年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

2 指導共翻譯轉(zhuǎn)運的決定因素

共翻譯轉(zhuǎn)運過程是細胞內(nèi)各種物質(zhì)協(xié)調(diào)配合完成的，其中信號肽、信號識別顆粒及其受體、移位子是指導共翻譯轉(zhuǎn)運過程的主要決定因素。

2.1 信號肽（SP） 信號肽是攜帶初生蛋白質(zhì)分選與轉(zhuǎn)運信息的一段氨基酸序列，一般位于新生肽的N 端。其長度大概為15～30 個氨基酸殘基，一級結(jié)構(gòu)可分為3 個區(qū)域：信號肽的N 端、信號肽的C 端、中部的疏水核心區(qū)。信號肽的N 端是帶正電荷的強極性區(qū)，其長度的差異是導致不同信號肽長度差異的主要原因。信號肽中部的疏水區(qū)由14～20 個中性氨基酸構(gòu)成，可形成α 螺旋，是信號肽的主要功能區(qū)。研究表明，一旦疏水區(qū)的某個氨基酸被置換，該信號肽則失去了蛋白質(zhì)的定位功能。信號肽的C 端是帶負電荷的極性區(qū)，通常含有脯氨酸、甘氨酸，不易形成螺旋結(jié)構(gòu)。此外，C 端某些不帶電的小分子氨基酸決定了信號肽酶的作用位點［4］。

信號肽在不同的環(huán)境中有不同的構(gòu)象，在水溶液中主要以β 折疊的形式存在，在脂質(zhì)中則有形成α 螺旋的趨勢，這對于信號肽與生物膜的相互作用有重要意義。近年來，對于信號肽的認識早已打破了Blobel 的“信號假說”中的內(nèi)容——信號肽不一定位于初生蛋白質(zhì)的N 端，也可能位于其中部或C 端。在完成蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運后，信號肽也不一定被切除。此外，信號肽不僅與蛋白質(zhì)的分選轉(zhuǎn)運密切相關(guān)，一些初生蛋白質(zhì)殘基的化學修飾、蛋白質(zhì)的降解也與信號肽緊密聯(lián)系。

2.2 信號識別顆粒（SRP）及其受體（SR） 信號識別顆粒是一種核糖核蛋白顆粒，具有普遍的保守性。真核生物的SRP 由一個7S RNA 和6 種蛋白質(zhì)組成［1］。SRP RNA 約有300 個核苷酸，能折疊成一定形態(tài)，構(gòu)成6 種蛋白質(zhì)的組裝平臺。這6 種蛋白質(zhì)按分子質(zhì)量命名為：SRP9／14、SRP19、SRP54、SRP68／72，其中SRP54 是一種GTP 酶。整個SRP可分為2 個結(jié)構(gòu)域：S 結(jié)構(gòu)域和Alu 結(jié)構(gòu)域。S 結(jié)構(gòu)域 由RNA 的中間部分、SRP68／72、SRP19、SRP54組成，主要功能是識別并結(jié)合信號肽，其中發(fā)揮結(jié)合功能的是SRP54；Alu 結(jié)構(gòu)域由RNA 末端和SRP9／14 組成，其功能是在SRP 與信號肽結(jié)合后，阻斷新生肽鏈的翻譯［5］。

信號識別顆粒受體位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，可與信號識別顆粒特異性結(jié)合。哺乳動物的SR 由SRα 和SRβ2 種蛋白質(zhì)組成，2 種都是GTP 酶。SRα 和SRP54 的部分結(jié)構(gòu)域是同源物，在共翻譯轉(zhuǎn)運過程中可與SRP54 相互作用。SRβ 的跨膜結(jié)構(gòu)域?qū)R功能是不可或缺的，在人的SR 中，處于GTP 結(jié)合狀態(tài)的SRβ 協(xié)調(diào)信號肽從SPR54 釋放，從而進入移位子通道。SRα 可在GTP 水解后與SRβ 分離［6］。

2.3 移位子（translocon） 移位子存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，是核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相互作用的位點。普遍保守的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運通道Sec61 復合體是移位子的功能核心。Sec61 復合體是一個異源三聚體復合物，由中央Sec61α 亞基和2 個較小的外周亞基Sec61β 和Sec61γ 組成。在原核生物中，該復合體稱為SecY 復合體［7］。Sec61α 是最大的亞基，跨膜10 次。Sec61β 和Sec61γ 是單次跨膜蛋白，屬于尾錨定蛋白家族。Sec61 復合體主要參與移位位點的三大功能，即它能形成一個蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運通道、識別功能信號序列、作為主要的核糖體受體［8］。

3 共翻譯轉(zhuǎn)運過程

將新生鏈運輸?shù)絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)，必需先找到正確的位置，即目標反應(yīng)；其次，必需通過入口處的門，即移位反應(yīng)［9］。其中，有些蛋白質(zhì)進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔成為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的駐留蛋白，或進一步加工再靶向其他細胞結(jié)構(gòu)，有些蛋白質(zhì)直接定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上成為膜整合蛋白。

3.1 進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的蛋白 當信號肽從核糖體通道出口暴露時，SRP54 與信號肽的疏水核心結(jié)合，形成核糖體-新生鏈-SRP 復合物（RNC·SRP 復合物）。此時，SRP9／14 蛋白復合體阻斷新生鏈的繼續(xù)翻譯。接著，RNC·SRP 復合物開始靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，在GTP調(diào)控的過程中與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體SR 相互作用，至此完成目標反應(yīng)。值得注意的是，GTP 與SRP和SR 的結(jié)合進一步強化了整個復合物與SR 的結(jié)合，但此過程僅是結(jié)合GTP，并不消耗GTP［1］。

在SRP 和SR 的相互作用下，核糖體和新生鏈都被轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的Sec61 復合體上，此時翻譯又重新啟動。信號肽不僅有助于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)靶向，還有助于Sec61 通道的完全開放。同時，Sec61復合體也結(jié)合正在翻譯的核糖體，形成一個處于完全開放狀態(tài)的水性多肽轉(zhuǎn)運通道，新生鏈開始通過轉(zhuǎn)運通道進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔［9］。位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面的信號肽酶切去信號肽，蛋白質(zhì)進行折疊加工。在GTP 水解供能的作用下，SRP 和SR 也解離并恢復到原來的狀態(tài)準備下一輪反應(yīng)（圖1）。

圖1 新生鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔過程示意圖

3.2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合蛋白 大多數(shù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白也是由Sec61 復合體整合到脂雙層中。信號序列指導新生鏈開始向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移，可看作開始轉(zhuǎn)移序列；在新生鏈的內(nèi)部，可能存在與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜脂雙層具有高度親和力的片段，稱為內(nèi)在停止轉(zhuǎn)移錨定序列（STA）和內(nèi)在信號錨定序列（SA）。具有該類序列的肽鏈將停止轉(zhuǎn)運，不再進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，最終形成膜整合蛋白。含有多個開始轉(zhuǎn)移序列和停止轉(zhuǎn)移錨定序列的肽鏈將成為多次跨膜的膜整合蛋白［1］。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜整合蛋白根據(jù)拓撲學特征大致可分為4 型，其不同點在于有、無可切割的N 端信號序列、定位方向和跨膜次數(shù)。Ⅰ型（例如，胰島素受體、生長素受體等）、Ⅱ型（例如，高爾基半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶等）和Ⅲ型（例如，細胞色素P450）為單次跨膜蛋白，決定其拓撲學特征的是肽鏈內(nèi)在的停止轉(zhuǎn)移錨定序列和信號錨定序列；Ⅳ型（例如，G 蛋白偶聯(lián)受體、葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白等）為多次跨膜蛋白。新生肽鏈的跨膜取向也具有一定的規(guī)律性，根據(jù)“正內(nèi)”規(guī)則，帶正電的側(cè)翼序列通常位于膜的細胞質(zhì)側(cè)。有證據(jù)表明，整合并不完全是序列自主的，還取決于序列的上、下段，從間隔非常近的跨膜片段到相鄰序列的折疊狀態(tài)和性質(zhì)。膜蛋白的拓撲發(fā)生甚至受到輔助蛋白的影響，這些輔助蛋白可能是膜內(nèi)的分子伴侶［10］。

4 靶向其他細胞結(jié)構(gòu)的膜泡運輸

在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工后的蛋白質(zhì)需要通過轉(zhuǎn)運膜泡運輸?shù)礁郀柣w進一步加工，最后靶向溶酶體、液泡等細胞結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)運膜泡根據(jù)其包被蛋白的不同，可分為COPⅡ包被膜泡、COPⅠ包被膜泡、網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡3 種類型，其中COPⅡ包被膜泡主要負責從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸。

4.1 膜泡的裝配 以COPⅡ包被膜泡為例，簡要闡述膜泡的裝配過程。COPⅡ包被組分主要是Sec23/Sec24 和Sec13／Sec31 復合物、Sec16、小分子GTP 結(jié)合蛋白Sar1，其在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的組裝是逐步進行的。首先，Sec12（鳥苷酸交換因子）促進GTP 結(jié)合以募集Sar1，形成Sar1-GTP。Sar1 是一種GTP 酶，在GTP 結(jié)合狀態(tài)下，Sar1 暴露了一個N 端疏水性的α 螺旋插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。隨后，異二聚體Sec23／24 被募集。Sec24 是與目標蛋白結(jié)合的主要適配器，一旦進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，就與目標蛋白結(jié)合，進而將其轉(zhuǎn)運到高爾基體。之后，Sec13／31 的異二聚體通過Sec23 和Sec31 之間的相互作用被募集。Sec13／31 在初生的囊泡上形成一層籠狀的外被膜，推動膜的彎曲。最后，Sec16 結(jié)合到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的胞質(zhì)表面，進一步加快被膜蛋白的裝配。在Sar1 的作用下GTP 水解形成Sar1-GDP，并從膜泡釋放使包被解聚［11］（圖2）。

圖2 COPⅡ包被膜泡的形成過程

4.2 膜泡與靶膜的錨定和融合 膜泡與靶膜的錨定需要Rab 蛋白的參與。Rab 蛋白可視為一種分子開關(guān)，當它與GTP 結(jié)合形成Rab-GTP 時，其構(gòu)象發(fā)生改變從而結(jié)合到膜泡上。結(jié)合了Rab-GTP 的膜泡與靶膜上的Rab 效應(yīng)器相互作用，這樣膜泡即錨定在靶膜上。膜融合主要是SNARE 蛋白的相互作用。膜泡上的v-SNARE 蛋白，能與靶膜上的t-SNARE 蛋白進行配對，這種配對具有特異性。融合過程類似“拉鏈”，從配對形成的SNARE復合物的N 端到C 端形成一股拉力將雙層膜拉在一起，完成膜的融合［12］。