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Science:聚焦膜蛋白的“护花使者”

来自芝加哥大学的科学家们在3月5日的《科学》(Science)杂志上报告称,他们发现一种分子复合物是通过形成具有保护袋的二聚体结构,将一类重要的蛋白引导到了细胞膜中的正确位点。这一结构在尾锚定膜蛋白通过细胞内环境时保护了它们免于发生有害聚集或错误折叠。尾锚定膜蛋白在从神经递质释放到胰岛素生成等很多的细胞功能中发挥了作用。研究结果阐明了一个基本生物学过程背后的机制。


研究的共同资深作者、芝加哥大学生物化学和分子生物物理学副教授Robert Keenan博士说:“细胞通过这一两亚基复合物保护了尾锚定蛋白,让它们在适当的时间去到细胞膜的正确位点。打个简单的比喻,它就像是一个热狗面包。它提供了一个大凹槽来容纳目标蛋白的跨膜区。”


膜蛋白参与了许多重要的细胞功能,例如信号传导、催化化学反应、以及营养物质和离子转运。这些蛋白包含一些疏水区,使得它们能够嵌入到细胞膜的疏水脂质双层中。蛋白质合成发生在细胞的水环境中,在这一过程中新生成的疏水区倾向于簇聚在一起以避水。由于聚集可造成危害,一些保护性机制会在它们形成时立即保护这些区域,然后伴护着蛋白质去到细胞膜。


不同于大多数的膜蛋白,尾锚定蛋白只包含一个疏水区,这一区域通常是最后被合成。因此,需要包括GET的几个分子因子协调作用来防止尾锚定蛋白发生聚集。


这一信号通路的一个关键组成元件是称作为Get3的靶向因子,它负责捕捉并保护尾锚定蛋白的疏水区。对于Get3执行其保护功能的机制一直存在争议,使得这一完整信号通路的相关研究不断地改变。以往一些研究认为,四个Get3分子结合形成了一个四聚体复合物抱住它的货物。而来自Keenan和共同作者、英国医学研究理事会Ramanujan Hedge博士等人的其他一些研究,提出了只包含两个Get3亚基的二聚体复合物。


为了解决这一问题,研究小组在芝加哥大学博士后研究人员Agnieszka Mateja的带领下,第一次在实验室中组装了Get3底物复合物。利用纯化元件来模拟生理条件,他们发现了二聚体结构。研究人员证实当Get3与ATP结合时形成了二聚体,但随着时间的推移Get3自然地降解了ATP,这有可能导致了以往在非生理条件下观察到的四聚体Get3底物复合物。当研究人员在具有不能降解ATP的修改版本Get3的细菌中表达一种尾锚定蛋白质时,只有二聚体复合物形成。


为了显像这一生理相关结构,研究人员利用蛋白质结晶方法研究了正抱住疏水尾锚定蛋白的Get3。与芝加哥大学生物化学和分子生物物理学教授Tony Kossiakoff博士合作,研究小组设计出了一些合成抗体片段来结合Get3二聚体的特定部分。这些抗体促进了Get3和底物结晶。通过逐个原子分析这一复合物,研究小组发现Get3确实如他们预测的那样发挥作用——两个Get3亚基在一个大疏水凹槽中保护了尾锚定蛋白。


Keenan 说:“我们经过了很多艰苦的工作才进入到这一步,最终确定了这一生理复合物的结构。这是一条非常重要的信号通路,一个技术难题,是第二个实例我们瞥见疏水跨膜蛋白是如何结合它的一个靶向分子的。它提供了关于细胞运作机制的一个基本认识。”


在解开这一机构及阐明Get3的保护机制后,Keenan和他的研究小组现正在调查GET信号通路中其他步骤的机制。


Keenan 说:“在设想二聚体模型或四聚体模型两种情况下,GET信号的机制细节是不相同的。通过证实这一生理相关靶向复合物是二聚体,我们获得了一个相对简单而精巧的运作模型。它真正理清了这一领域的思路。”


原文链接:Structure of the Get3 targeting factor in complex with its membrane protein cargo


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