Baktēriju
sekretoro proteīnu signālsekvenču fizikāli ķīmisko īpašību ietekme uz
transporta procesa norisi
Saturs
Ievads
Sekretoro proteīnu signālsekvenču vispārējs
raksturojums
Signālsekvences lādiņa izmaiņu ietekme uz transporta
procesu
Signālsekvences hidrofobitātes izmaiņu ietekme uz
transporta procesu
Signālsekvences lādiņa un hidrofobitātes
mijiedarbības ietekme uz transporta procesu
Pētījumu nākotnes perspektīvas
Literatūras avoti
Ievads
Šajā esejā apskatīta dažādu baktēriju sekretoro proteīnu
signālsekvenču fizikāli ķīmisko īpašību, galvenokārt lādiņa un
hidrofobiskuma, ietekme uz transporta procesu, kā arī iespējamā
saistība ar noteiktu proteīnu transporta sistēmu. Tā kā mikroorganismi
daudzus praktiski izmantojamus proteīnus sintezē tieši kultūras vidē,
to transporta procesa vispārējo principu un noteicošo faktoru
noskaidrošanai ir būtiska nozīme. Mēģināšu parādīt, ka proteīna
signālsekvencē ietvertā informācija lielā mērā nosaka transporta
procesu, taču uzsveru, ka tā nenosaka transportu pilnībā, arī pārējā
molekulas daļā pastāv sekrēcijas procesam nozīmīgi apgabali.
Uz saturu
Sekretoro proteīnu signālsekvenču
vispārējs raksturojums
Signālsekvences satur nepieciešamo informāciju, kas nepieciešama,
lai transportējamais proteīns mijiedarbotos ar sekretoro
mašinēriju,
membrānas fosfolipīdiem un signālsekvences peptidāzi (Kajava et al.
2000). Parasti to garums ir 18 30 aminoskābes. Visas signālsekvences
sastāv no trim raksturīgiem domēniem: pozitīvi
lādēta N gala (N domēns), hidrofobas vidusdaļas (H domēns) un vairāk
polāra atšķelšanas reģiona (C domēns).
Salīdzinot daudzus sekretoros proteīnus, secināts, ka šo trīs domēnu
aminoskābju sekvences nav īpaši konservatīvas, turpretim to fizikāli
ķīmiskās īpašības ir (Fekkes, Driessen 1999). N domēna pozitīvais
lādiņš, ko veido lizīna un arginīna atlikumi, palielina eksportam
paredzētā proteīna (priekšteča jeb preproteīna) sagatavošanas un
transporta ātrumu, taču tā klātbūtne nav obligāta. Uzskata, ka N
reģions piesaistās negatīvi lādētajam membrānas lipīdu dubultslānim.
Iespējams, ka šis reģions paaugstina saistīšanās spējas starp
signālsekvenci un Sec tipa translokācijas mašinērijas vienu no
sastāvdaļām SecA proteīnu (Izard et al. 1996).
H reģions, kas sastāv no 7 15 aminoskābju atlikumiem, ir svarīgākā
signālsekvences daļa. Bieži šī domēna vidū ir sastopams t. s. spirāles
lauzējs glicīna vai prolīna atlikums, kas nosaka matadatai līdzīgas
struktūras veidošanos, kas var ievietoties lipīdu dubultslānī. C domēns
mijiedarbojas ar peptidāzi, kas atšķeļ signālpeptīdu. Šis rajons ir
vienīgais, kam ir raksturīgs primārās sekvences specifiskums tas
satur galvenokārt alanīnu, glicīnu, serīnu un treonīnu. Tomēr, lai gan
signālsekvenci var iedalīt trijos domēnos, tā funkcionē kā viens
veselums (Fekkes, Driessen 1999).
Uz saturu
Signālsekvences
lādiņa izmaiņu ietekme
uz transporta procesu
Lādiņa izmaiņu ietekme uz transporta procesu ir atkarīga no tā, kurā
signālsekvences rajonā izmaiņas notiek, turklāt ietekmes variē no
nedaudz palēnināta transporta ātruma līdz pilnīgai transporta blokādei.
Ir zināms, ka preproteīni, kuru signālsekvencēs ir neitrāls vai pat
negatīvi lādēts N domēns, var tikt transportēti, taču ar samazinātu
ātrumu. Samazinoties pozitīvi lādēto aminoskābju skaitam N reģionā,
signālsekvences mijiedarbība ar membrānu kļūst neefektīva (Fekkes,
Driessen 1999). Uzskatāmi tas parādīts interesantā Čena un Nagarajana
eksperimentā (Chen, Nagarjan 1994), kurā tika pārbaudīta signālpeptīdu
N gala pozitīvi lādēto atlikumu loma proteīnu eksportā Bacillus subtilis šūnās. Vispirms
tika iegūti signālpeptīdi no diviem Bacillus amyloliquefaciens
proteīniem - bāziskās proteāzes [Apr] un neitrālās proteāzes [Npr]; tie
tika izmainīti un pēc tam apvienoti ar nobriedušām levānsaharāzes
molekulām. Rezultātā tika novērots, ka pozitīvi lādēto atlikumu
aizvietošana ar neitrāliem atlikumiem gan Apr, gan Npr signālpeptīdos
izraisa nelielus levānsaharāzes eksporta defektus B. subtilis šūnās. Savukārt
ievietojot Npr signālpeptīda N galā negatīvi lādētus atlikumus
asparagīnskābes veidā pilnībā bloķēja levānsaharāzes
eksportu.
Arī pretējas lādiņa izmaiņas ietekmē transporta procesu. Piemēram,
eksperimentā, kurā tika palielināts Escherichia
coli modeļproteīna OmpF Lpp signālsekvences pozitīvais lādiņš,
notiek pastiprināta šī proteīna saistīšanās ar SecA proteīnu, kurš ir
negatīvi lādēts, perifērs membrānas proteīns. Līdz ar to tiek
uzskatīts, ka to baktēriju šūnās, kur proteīnu eksportam tiek izmantots
Sec tipa mehānisms, sekretoro proteīnu pozitīvi lādētie signālpeptīdi
pirms translokācijas mijiedarbojas ar SecA molekulu, tādā veidā
iniciējot translokācijas reakciju (Akita et al. 1990).
Interesanti, ka transporta procesu ietekmē ne tikai lādiņš pašā
signālsekvencē, bet arī reģionā, kas atrodas tūlīt aiz signālsekvences
šķelšanas vietas, turklāt tas raksturīgs tikai Gram negatīvajām
baktērijām. Kajava un citi (Kajava et al. 2000) pierādījuši, ka gandrīz
visiem Gram negatīvo baktēriju eksportējamajiem proteīniem reģionam,
kas ietver 16±2 atlikumus aiz signālsekvences šķelšanas vietas,
raksturīgs negatīvs lādiņš. Ja šajā reģionā tiek ievadīti pozitīvi
lādēti atlikumi, translokācijas process tiek bloķēts.
Uz saturu
Signālsekvences
hidrofobitātes izmaiņu
ietekme uz transporta procesu
Signālsekvences centrālā hidrofobā reģiona nozīme ir plaši pētīta,
veicot mutantu analīzi. Paredzams, ka hidrofobajam reģionam ir augsts
helikālais potenciāls, t. i., spēja veido α spirāli, šis pieņēmums ir
arī pārbaudīts, izmantojot sintētiskos signālpeptīdus, tādēļ H reģions
varētu kalpot kā atpazīšanas elements transportsistēmu proteīnu
elementiem (Izard et al. 1996). Līdz ar to, H reģiona garumam un
hidrofobitātei palielinoties, proteīnu translokācijas efektivitāte
palielinās. Šī attiecība ir sigmoidāla, un ir nepieciešama minimāla
hidrofobitāte, lai notiktu translokācija (Fekkes, Driessen 1999).
Uz saturu
Signālsekvences
lādiņa un
hidrofobitātes mijiedarbības ietekme uz transporta procesu
Ir pierādījumi, ka signālsekvences aminoterminālā gala un
hidrofobā reģiona funkcijas pārklājas. Puziss un citi (Puziss et al.
1989) savā pētījumā parāda, ka translokācijas defekti, kurus izraisa
negatīvs lādiņš aminoterminālajā galā, ir daudz spilgtāk izteikti, ja
tiek saīsināts hidrofobais reģions. E.
coli šūnās esošajam maltozi saistošā proteīna (MSP) priekštecim
summārais lādiņš tika nomainīts no +1 uz 3, kā rezultātā samazinājās
gan MSP translokācijas ātrums, gan efektivitāte. Neskatoties uz to,
tādi proteīni, kuriem signālsekvencēs bija normāla garuma hidrofobais
reģions, varēja tikt transportēti (tiesa, to transporta kinētika bija
daudz vājāka), pat ja to signālpeptīdu lādiņš bija 3. Attiecīgi,
palielinoties hidrofobā reģiona garumam, translokācijas ātrums
palielinās, neskatoties uz negatīvo lādiņu. Šādu mijiedarbību -
netipiski gara H reģiona klātbūtne nosaka to, ka neizpaužas negatīvi
lādēta N reģiona īpašības - eksperimentāli novērojuši arī Čens un
Nagarajans (Chen, Nagarjan 1994).
Uz saturu
Pētījumu
nākotnes perspektīvas
Pašlaik ir noskaidrota baktēriju eksoproteīnu signālsekvenču
vispārējā struktūra un to atsevišķo reģionu nozīme translokācijas
procesā. Ir zināms, ka proteīniem, kuru eksports notiek caur dažādām
transportsistēmām, ir atšķirīgas signāleskvences, piemēram, atšķiras
gan kopējais signālsekvences garums, gan atsevišķu domēnu garumi.
Pašlaik ir noskaidrotas vismaz piecas baktēriju transportsistēmas
(SecA, SRP, II tipa, TAT un
Yid-C tipa sistēmas), tādēļ ļoti būtiski
turpmākajos pētījumos ir noskaidrot saistību starp noteiktām
transportsistēmām un to signālsekvenču topoloģiju, kā arī konkrētus,
pietiekami detalizētus transporta mehānismus, jo pagaidām ir izteiktas
tikai visai aptuvenas hipotēzes par to, kā tieši varētu notikt proteīnu
transports no citoplazmas uz periplazmu vai ārvidi. Šo jautājumu
noskaidrošana pavērtu iespējas dažādi modificēt baktēriju proteīnu,
tostarp rūpnieciski izmantojamu, transporta procesu un ieguvi. Bez tam
nepieciešams noskaidrot ne tikai translokāžu atsevišķu proteīnu ietekmi
uz transporta procesu, bet arī citu šūnas komponentu, piemēram, šūnas
membrānas un šūnapvalka lomu translokācijā, kas var būt īpaši nozīmīga
pēctranslokācijas procesā, kad lielākā daļa eksportējamā proteīna jau
ir šķērsojusi šūnas membrānu, bet daļa vēl ir saistīta ar kādu no šūnas
virsmas komponentiem.
Uz saturu
Literatūras
avoti
1) Akita M., Sasaki S., Matsuyama S., Mizushima S. 1990. SecA
interacts with secretory proteins by recognizing the positive charge at
the amino terminus of the signal peptide in Escherichia coli. Journal
of Biological Chemistry 256: p. 8164 - 8169
2) Chen M., Nagarajan V. 1994. Effect of alteration of charged residues
at the N termini of signal peptides on protein export in Bacillus
subtilis. Journal of Bacteriology 176: p. 5796 - 5801
3) Fekkes P., Driessen A. J. M. 1999. Protein targeting to the
bacterial cytoplasmatic membrane. Molecular Biology Reviews 63 (1): p.
161 173
4) Izard J. W., Rusch S. L., Kendall D. A. 1996. The amino terminal
charge and core region hydrophobicity interdependently contribute to
the function of signal sequences. Journal of Biological Chemistry 271
(35): p. 21579 21582
5) Kajava A. V., Zolov S. N., Kalinin A. E., Nesmeyanova M. A. 2000.
The net charge of first 18 residues of the mature sequence affects
protein translocation across the cytoplasmic membrane of Gram
negative bacteria. Journal of Biological Chemistry 182 (8): p. 2163 -
2169
6) Puziss J. W., Fikes J. D., Bassford P. J., Jr. 1989. Analysis of
mutational alterations in the hydrophilic segment of the maltose
binding protein signal peptide. Journal of Bacteriology 171: p. 2303 -
2311
Uz saturu
Uz sākumlapu
Autors:
Martina Baltkalne
mbaltkalne@yahoo.com
Izveidots: 08. 01. 2005.