Föreläsningens innehåll
Introduktion
Sekretoriska vägar i eukaryota celler används för att skicka proteiner och lipider till plasmamembranet och vissa membranbundna organeller och för att frigöra material utanför cellen. Det finns två typer av sekretion: konstitutiv och reglerad. Konstitutiv sekretion är standardvägen och används främst för att fylla på material vid plasmamembranet och vissa membranbundna organeller. Reglerad sekretion slutar i sekretoriska vesiklar som lagrar utsöndrat material tills en signal utlöser fusion med plasmamembranet. Båda typerna av sekretion använder samma väg, men signalsekvenser leder proteiner till den reglerade vägen. Celler hämtar också material från plasmamembranet genom endocytos. Detta material kan antingen återföras till plasmamembranet eller brytas ned i lysosomen.
Principer för den sekretoriska vägen
Proteiner och lipider syntetiseras i ER och transporteras sedan till Golgi. Proteiner sorteras i Golgi och skickas till plasmamembranet, lysosomen eller sekretoriska vesiklar. Transport av proteiner och lipider mellan membranbundna avdelningar förmedlas av vesiklar som knoppar av från en avdelning och sedan smälter samman med den efterföljande avdelningen. Rabs, tethers och SNAREs ökar sannolikheten för att vesiklarna smälter samman med rätt målmembran. Cellerna upprätthåller ER:s och Golgis integritet och funktionalitet genom att hindra inhemska proteiner från att ta sig in i vesiklarna och genom att hämta de proteiner som flyr.
Glykosylering
Glykosylering är den kovalenta bindningen av sockerarter till proteiner som sker för de flesta proteiner i ER:et. Glykosylering hjälper proteiner att veckas, riktar proteiner till specifika organeller (t.ex. lysosom) och hämmar proteolys. Dessutom är många proteiner på cellytan och i den extracellulära matrisen som omger cellerna kraftigt glykosylerade för en rad olika biologiska syften.
N-länkad glykosylering sker i ER och innebär att en grupp av 14 sockerarter adderas till amingruppen hos asparaginer. Grupperna innehåller en blandning av N-acetylglukosamin, mannos och glukos. Glukosresterna avlägsnas i ER innan proteinet transporteras till Golgi. I Golgi kan sockersidekedjorna modifieras ytterligare genom att olika sockerarter avlägsnas och läggs till.
O-länkad glykosylering är den andra formen och innebär att sockerarter läggs till seriner eller threoniner. O-länkad glykosylering börjar troligen i Golgi genom att ett enda socker tillsätts. Andra enzymer lägger till sockerarter i grupper om två och sockersidekedjorna kan bli extremt långa.
Golgikomplexet är en stapel av membrancisterner med unika biokemiska sammansättningar. Cisternerna brukar benämnas cis, mediala, trans och trans-Golgi-nätverk med protein som kommer in i cis från ER och ut från TGN. Cisternerna verkar innehålla en unik uppsättning enzymer som modifierar sockersidekedjor på proteiner. Till exempel avlägsnas mannos främst i den mediala cisternen medan galaktos läggs till i den trans cisternen.
Vesikulär transport
Transport mellan membranavdelningar förmedlas av små vesiklar. Vesiklarna innehåller en proteinhölje som driver vesikelbildningen och rekryterar proteiner till vesiklarna. Vesiklarna riktas till rätt kompartment av en kombination av Rab-proteiner och SNAREs. Rabs är en stor familj av små GTP-bindande proteiner, och varje membranfack i den sekretoriska vägen tycks innehålla ett unikt Rab-protein. SNAREs är proteiner på vesiklar och membranfack som bildar par för att förmedla fusion. SNAREs utgör en annan stor familj av proteiner och olika kompartment innehåller troligen unika SNARE-proteiner.
Vesikelbildning
Bildningen av vesiklar från ER är tydligast förstådd och kommer att tjäna som ett exempel på hur vesiklar bildas. Mekanismen är sannolikt liknande för andra kompartment. Montering av ett proteinhölje driver bildningen och höljesmonteringen börjar med bindningen av det lilla GTP-bindande proteinet Sar1. Sar1-GTP associerar sig med ER och lägger in en liten spiral i det yttre bladet av ER-membranets dubbla lager för att initiera en krökning av membranet. Sar1-GTP rekryterar två andra uppsättningar proteiner som utgör vesikelns hölje: Sec23-Sec24-komplexet som binder till lastproteiner och Sec13-Sec31-komplexet som hjälper till att driva vesikelns bildning. För att välja last för de flesta proteiner krävs en signalsekvens som interagerar med Sec23-24-komplexet. Lösliga proteiner i ER:s lumen associeras med lastreceptorer som innehåller en signalsekvens som binder Sec23-Sec24. Mantalkomplexet som omger vesiklar från ER kallas COP II.
Targeting Vesicles to Correct Compartment
Två uppsättningar proteiner verkar hjälpa vesiklar att fusionera med rätt målmembran. Den ena uppsättningen omfattar tethers som lokaliseras till målmembrankompartment och interagerar med komponenter i vesikelhöljet. Flera olika tethers har identifierats i celler och var och en tycks lokaliseras till en distinkt kompartment. Tethers bildar strukturer som sträcker sig bort från kompartmentmembranet in i cytosolen. Detta kan hjälpa tethers att interagera med vesiklar som anländer från föregående membrankompartment.
En andra uppsättning proteiner som hjälper till att korrekt rikta vesiklar till lämpligt membran är SNAREs. SNAREs förmedlar också fusion mellan membranen. Vesiklar innehåller ett SNARE-protein (vSNARE) och membranfack innehåller två till tre SNARE-proteiner (tSNARE). SNARE-proteiner på vesiklar och membrankompartment interagerar med specificitet. Djurceller uttrycker 35 olika SNARE-proteiner men endast vissa uppsättningar SNAREs interagerar med varandra. Genom att lokalisera de SNAREs som endast interagerar med vesiklar och deras målmembran ser cellerna till att vesiklar fusionerar med rätt målmembran.
Membranfusion
SNARE-proteiner förmedlar fusion mellan vesiklar och deras målmembrankompartment. SNARE-proteiner innehåller långa regioner som bildar spiralformade strukturer. De helikala domänerna i vSNAREs och tSNAREs interagerar med varandra och tycks bli till blixtlås. Den energi som frigörs genom fullständig parning av vSNAREs och tSNAREs tros driva fusionen mellan vesikelns membran och kompartmentets membran, även om den exakta mekanismen förblir oklar.
Vissa vesiklar dockar på sitt målmembran men fusionerar inte. Sekretoriska vesiklar lagrar till exempel proteiner och andra små molekyler tills cellen får en signal om att släppa ut dem. Vissa sekretoriska vesiklar dockar på plasmamembranet genom interaktion mellan vSNAREs och tSNAREs, men SNAREs hindras från att helt para ihop sig för att driva membranfusion. Externa signaler utlöser avlägsnandet av parningshämmningen, vilket gör det möjligt för vesiklarna att fusionera med plasmamembranet.
Proteinsortering i trans-Golgi-nätverket
När de når trans-Golgi-nätverket är de flesta proteiner riktade mot sin slutdestination. Standardvägen verkar vara transport till plasmamembranet, eftersom plasmamembranet kontinuerligt måste byta ut lipider och proteiner. Andra proteiner sorteras till lysosomer och sekretoriska vesiklar. Signalen för att skicka ett protein till lysosomen involverar sockersidekedjan. De flesta lysosomala proteiner innehåller mannos 6-fosfat som läggs till i cis-Golgi. Receptorn som binder mannos 6-fosfat finns i trans-Golgi-nätverket och rekryterar coatproteiner till trans-Golgi-nätverket. Clathrin bildar manteln runt dessa vesiklar, och vesiklarna ackumulerar lysosomala proteiner innan de sprids från trans-Golgi-nätverket. Vesiklarna smälter samman med endosomerna. Endosomernas lumen har ett lågt pH-värde, vilket gör att mannos 6-fosfatreceptorn dissocieras från lysosomala proteiner. Mannos 6-fosfatreceptorn återförs till trans-Golgi-nätverket och vesikeln som innehåller de lysosomala proteinerna mognar till en funktionell lysosom.
Vissa proteiner sorteras in i sekretoriska vesiklar som lagrar dessa proteiner tills cellen får en signal om att frigöra dem. Mekanismen för genom vilken proteiner sorteras in i sekretoriska vesiklar eftersom dessa proteiner inte delar en gemensam sorteringssignalsekvens.
Endocytos
Celler släpper inte bara ut material till den yttre miljön utan tar också upp material från utsidan av plasmamembranet genom endocytos. Det finns flera former av endocytos.
Fagocytos gör att vissa celler (makrofager, neutrofiler) kan sluka och ta upp stora partiklar som mikroorganismer och döda celler. Fagocytos innebär att plasmamembranet sticker ut runt partikeln. Protrusionen drivs av aktinpolymerisering. Plasmamembranet omger så småningom partikeln och smälter samman för att helt omsluta den och bilda en stor endocytisk vesikel.
Pinocytos bildar mycket mindre vesiklar (~ 100 nm) och gör det möjligt för cellerna att ta upp små mängder extracellulär vätska och delar av plasmamembranet. En form av pinocytos är clathrinmedierad endocytos som gör det möjligt för celler att ta upp specifika proteiner från cellytan.
Clathrinmedierad endocytos börjar med att det bildas en grop i plasmamembranet. Gropen omges på cytoplasmasidan av adaptorproteiner som länkar clathrin till gropen. Adaptorerna interagerar också med proteiner i plasmamembranet som är måltavlor för endocytos. Gropen kan rymma ~ 1000 proteiner. Polymerisering av clathrin driver bildandet av en vesikel som så småningom klämmer av sig från plasmamembranet. GTPaset dynamin katalyserar avknoppningsreaktionen. De klatrinbelagda vesiklarna smälter samman med endosomerna där det låga pH-värdet dissocierar ligander från receptorer. Vissa proteiner återförs sedan till plasmamembranet medan andra riktas till lysosomen där de bryts ned.