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 s
ākumlapu
Autors: Martina Baltkalne
mbaltkalne@yahoo.com
Izveidots: 08. 01. 2005.