蛋白質準確靶向至其指定的細胞區室對于維持細胞結構和功能的正常運行至關重要。然而,分泌蛋白和膜蛋白中高度多變的靶向序列的解析和分類,給實現分泌途徑內的精確定位帶來了重大挑戰。

2025年6月11日,上海科技大學鄒燕,廖軍和ZhigangFeng共同通訊在Science Advances(IF=11.7)在線發表題為“ATP13A1engages SEC61 to facilitate substrate-specific translocation”的研究論文。該研究表明,一類非典型信號序列,其特征為高度疏水性和/或缺乏典型電荷特征,可被信號識別顆粒(SRP)識別并以反向構象靶向至內質網。這些錯誤定向的信號序列隨后被P5A-ATP酶ATP13A1驅逐,轉運至SEC61復合體以完成進一步轉位。通過冷凍電子顯微鏡,作者解析了人ATP13A1多種構象的結構(分辨率3.40至3.87埃),揭示了其底物結合口袋內關鍵殘基通過極性相互作用識別信號序列的機制。綜上,本研究闡明了一條底物特異性的蛋白轉位通路,確保蛋白質亞細胞定位的高效性與準確性。

蛋白質準確定位到各自的目的地對于維持細胞結構和穩態至關重要。大約三分之一的真核生物蛋白組由分泌蛋白和膜蛋白組成,這些蛋白質需要轉運到細胞外區室或細胞內細胞器。在生物合成過程中,大多數這些蛋白質需要通過共同翻譯或翻譯后轉運進入內質網(ER),并通過其不透膜。內質網轉位過程是一個復雜且高度調控的過程,涉及兩個主要的機制。最初,翻譯中的多肽鏈的N端信號序列或跨膜螺旋被細胞質中的信號識別顆粒(SRP)識別,然后將其遞送到內質網膜上的SRP受體(SR)。新生多肽鏈隨后被轉移到SEC61轉位復合體,并導入內質網腔,直到停滯信號(如跨膜螺旋)從核糖體中釋放出來。信號序列通過信號肽酶復合體(SPC)協同翻譯地從轉運的多肽中移除,從而釋放成熟蛋白質。另一種情況下,翻譯后轉運的蛋白質則利用細胞質伴侶蛋白防止其在轉運前折疊,并需要Sec62-Sec63參與轉運。蛋白質轉運機制的功能失調已與多種發育障礙和疾病相關。例如,SRP復合體的突變與綜合征性中性粒細胞減少癥和家族性無再生性貧血及骨髓發育不良癥相關。同樣,SEC61復合體中的組分失調與腎臟和肝臟疾病、糖尿病及人類癌癥相關。除了SEC61轉位復合體,特定信號序列和尾錨定(TA)蛋白的內質網靶向通過內質網膜蛋白復合體(EMC)和引導入TA復合體介導。值得注意的是,靶向序列具有高度的變異性和退化性,已經進化為通過不同的靶向或轉位途徑將蛋白質導向不同的細胞器。然而,分泌機制如何精確識別、解析和分類這些多樣化的靶向序列的具體機制仍不完全清楚。

模式流程圖(圖片源自Science Advances)P型腺苷三磷酸酶(ATP酶)構成了一個在系統發育上保守的超家族,能夠跨膜轉運多種底物,包括離子、磷脂質和多胺。其中,P5A-ATP酶(如人ATP13A1)最近被發現作為去位蛋白酶,能夠將錯誤定位的TA蛋白和錯誤定向的跨膜蛋白從內質網中提取出來,從而防止它們通過內質網相關降解途徑被降解。此外,ATP13A1還促進了分泌和膜蛋白的信號序列介導的內質網轉運。定量蛋白質組學研究強調了ATP13A1在穩定含有N端內質網靶向信號序列的蛋白質和TA蛋白中的重要作用,其中前者在ATP13A1缺失(KO)小鼠中最為不穩定。生理學研究揭示了P5A-ATP酶在后生動物中通過多種底物發揮多效作用。在線蟲中,catp-8(ATP13A1的同源物)null突變影響了神經受體樹突發育異常(DMA-1)和形態發生因子Wnt蛋白的內質網轉運,擾亂了神經發育和壽命。在小鼠中,ATP13A1對維持抗病毒蛋白MAVS的穩定性至關重要;Atp13a1 KO小鼠表現出生長遲緩和胚胎致死,突顯了P5A-ATP酶在生理學中的廣泛重要性。此外,人類ATP13A1的低功能突變與發育缺陷相關,包括智力障礙、注意力缺陷多動障礙及面部和指甲異常。然而,現有研究主要集中于ATP13A1 KO細胞中含有N端信號序列的蛋白質的命運及病理學后果,尚未解決ATP13A1如何在生理條件下介導這些蛋白質的內質網轉運的問題。在本研究中,作者結合了大規模熒光實驗、生化分析、結構生物學和遺傳學方法,解析了ATP13A1在信號序列介導的內質網轉運中的作用。作者發現,具有異常高疏水核心和/或缺乏N端正電荷殘基的非典型信號序列容易發生拓撲錯誤。這些序列被ATP13A1從內質網膜中去位,隨后通過SEC61轉位復合體轉運到內質網。通過冷凍電子顯微鏡(Cryo-EM),作者解析了人ATP13A1的多種構象(分辨率為3.40至3.87 ?),揭示了底物結合、特異性及構象轉變的關鍵殘基。因此,作者的工作闡明了一個底物特異性的轉運通路,確保了高效性和準確性。P5A-ATP酶在真核生物中的進化出現反映了信號序列的復雜性日益增加,信號序列多樣化以靶向不同的細胞器。
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1346