核糖体出口处的交换将新生蛋白质靶向至内质网

正常的细胞功能需要准确的机制将新合成的蛋白质运输到各自的细胞生态位。在一项合作研究中，科学家们发现了新生蛋白质如何被转运至内质网(ER)——一种通向核膜的膜通道细胞质网络。

德国康斯坦茨大学分子微生物学教授ElkeDeuerling博士说：“对生命至关重要的一个长期悬而未决的问题是，细胞如何设法产生蛋白质，并在合成过程中将它们运输到正确的细胞目的地。”这项研究的资深作者。

在《科学》杂志上发表的一篇题​​为“在内质网蛋白靶向过程中核糖体上信号序列从NAC切换到SRP的机制”的文章中，Deuerling和她的团队解析了称为NAC(新生多肽)的蛋白质复合物的分子机制。-相关复合物)可逆地与真核核糖体结合，当新合成的多肽链从核糖体隧道中出现时与它们相互作用，并将多肽中编码的疏水性ER靶向信号序列交给信号识别颗粒(SRP)，一种蛋白质-将蛋白质靶向内质网的RNA转运蛋白复合物。

NAC充当看门人的角色，使SRP能够接触到内质网的新生蛋白质。(埃尔克·杜尔林)

NAC确保只有去往ER的蛋白质才会传递至SRP。作者表明，目的地不是ER的新生蛋白质会被NAC拒绝进入SRP，NAC在此过程中充当看门人的角色。

“我们已经知道，两个因素(称为NAC和SRP)以及核糖体上合成的新生蛋白质中的信号序列对于将蛋白质转运至内质网具有决定性的重要性，但我们不了解它们如何相互作用彼此调节并确保正确的蛋白质靶向，”Deuerling说。“该领域专家之间的强有力的国际合作通过揭示NAC-SRP新生蛋白在核糖体上相互作用的分子细节解决了这个问题。”

早期的研究已经确定NAC与核糖体出口处新合成的蛋白质相互作用，并与SRP竞争以阻止细胞质或线粒体的蛋白质最终进入ER。然而，SRP也可以非特异性地结合没有ER信号的核糖体，并将其携带到ER。到目前为止，尚不清楚NAC如何阻止SRP与任何核糖体结合，以及如何通过ER靶向信号克服这种拮抗相互作用，以便只有正确的核糖体被转运到ER。

“如果不受控制，SRP会与附近的任何核糖体结合，然后将其转运到ER，无论当前是否正在生产具有该目的地的蛋白质。这将导致无数的错误传递，从而严重损害细胞的功能和活力，”杜尔林说。

Deuerling的团队与瑞士苏黎世联邦理工学院、英国剑桥MRC分子生物学实验室(MRC-LMB)和加州理工学院的科学家合作，解决了这个难题。他们通过在试管中混合纯化的核糖体、NAC和SRP来模拟体外细胞过程。然后他们将混合物快速冷冻至-150°C，并通过冷冻电子显微镜检查样品。

这使得结构生物学家和该研究的合著者AhmadJomaa博士和ViswanathanChandrasekaran博士能够确定在携带ER信号的新生肽转移到SRP之前和之后NAC如何与核糖体结合。这澄清了NAC的看门人机制，但状态之间的过渡仍不清楚。

“这种转变是一个高度动态的过程，无法通过冷冻电子显微镜观察到，”康斯坦茨大学的主要作者MartinGamerdinger博士说。

Gamerdinger及其团队(博士研究员AnnalenaWallisch和ZeynelUlusoy)进行的高分辨率生化结合研究表明，合成的蛋白质类型控制着NAC与核糖体的相互作用。谢浩轩(Hao-HsuanHsieh)博士对成分之间的结合强度进行了实验，结合计算机辅助3D重建，使团队能够破译NAC排序功能的细节。

该研究得出的机制模型提出NAC使用两个具有相反效果的域来控制SRP访问。NAC的核心球状结构域可防止SRP与不带有ER信号的核糖体结合，而灵活连接的结构域可暂时抓住SRP以允许扫描新生肽。当带有ER靶向信号的肽从核糖体隧道中出现时，它会破坏NAC的球状结构域的稳定性，从而使SRP能够与正确的链结合并将其带到ER。

Deuerling说：“我们的研究揭示了NAC作为看门人的分子功能，只允许SRP进入那些目的地是内质网的新生蛋白质。”

蛋白质分选错误是许多疾病的机制基础。杜尔林认为，这项阐明重要细胞过程的研究将有助于推进细胞生物学和生命科学多个领域的研究。

Deuerling和她的合作者，苏黎世联邦理工学院的NenadBan博士、加州理工学院的Shu-ouShan博士和MRC-LMB的RamanujanHegde博士认为，确定NAC是否在核糖体出口处发挥其他调节作用还需要进一步研究。实验。

“有一个完整的‘欢迎委员会’，包括NAC和SRP，还有许多其他在新蛋白质合成过程中与核糖体结合的因素，”Deuerling说。“下一步将是了解这些作用在蛋白质生产线前端的因素如何在空间和时间上进行协调，以确保蛋白质组的完整性和细胞活力。”

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