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1、细胞生物学细胞生物学 西北农林科技大学 生命科学学院细胞生物学教研室 李绍军 第八章 蛋白质分选与膜泡运输 本章内容本章内容 第一节 细胞内蛋白质的分选 1. 信号假说与蛋白质分选信号 2. 蛋白质分选的基本途径与类型 3. 蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选 第二节 细胞内膜泡运输 1. COPII与COPI包被膜泡的装载与运输 2. 网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的装载与运输 3. 转运膜泡与靶膜的锚定和融合 4. 细胞结构体系的组装 蛋 白 质 分 选 运 输 的 路 径 图 第一节 蛋白质的分选（定向转运） 1 真核细胞中核编码蛋白的分选概述（共翻译转运和后翻译转运） 跨膜运输：蛋
2、白运入内质网、 线粒体、叶绿体、过氧化物酶 体； 膜泡运输：内质网、高尔基体、 质膜、溶酶体、胞内体之间的 蛋白运输； 门控通道运输：通过核孔运输； 细胞质基质中的蛋白转运。 蛋白通过四种机制转运： 蛋白分选（蛋白质寻靶）: 蛋白分子在蛋白内部的分选 信号指导下从细胞质运往各种目标细胞器或细胞表面。 没有任何信号（序列）的蛋白是细胞质基质驻留蛋白。 细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器 取决于两个方面： 其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signal sequence）。 其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sorting receptor）。 信号肽及信
3、号斑 蛋白建立分选信号的两种方式： 信号位于一段氨基酸序列中被称为信号序列，它暴露在蛋白外部通常位 于肽链端部，也有存在于其他部位的。 信号斑由分隔开的氨基酸序列在蛋白折叠时相互接近组成，或者在蛋白 折叠后形成暴露的固定距离的多个信号斑。 门控通道转运： 细胞核蛋白通过核孔复合体运输; 蛋白存在核定位信号 (NLS); 以折叠或组装的形式进行运输。 跨膜运输： 进入内质网依赖信号肽； 进入线粒体、叶绿体、过氧化物酶体依赖导肽或转运肽; 通过膜上的易位子、内外膜转运复合体蛋白跨膜； 以单个未折叠的肽链形式跨膜； 需要通过分子伴侣协助。 膜泡运输： 通过出芽，转运，驻泊及最后与靶膜融合运输蛋白、脂
4、质； 在膜泡的外围组装包被蛋白； (网格蛋白、COPII包被蛋白、COPI包被蛋 白等); 只有正确折叠、组装的蛋白才能被运输； 在运输中被运输蛋白、脂质的方向不会改变。 2 信号假说和内膜系统蛋白质的转运 -G.Blobel和D.Sabatini,1975年提出共翻译转运的信号假说。 Palade发现内质网附着的核糖体 合成分泌蛋白。 Milstein等发现:在非细胞体系中 合成的IgG 轻链比体内真正的 IgG轻链N端长出数个氨基酸。 在非细胞体系中添加ER膜组分 则可合成正常长度的IgG轻链。 分泌蛋白的信号肽：由多肽N端16-26个氨基酸组成。具有三个区域，带正 电荷的N端区，中间的疏
5、水核心区和极性的与成熟肽链连接的C端剪切区， 新生分泌蛋白的信号肽使肽链定向运输到内质网，随后被切除。 信号识别颗粒, SRP: 由6种不同的多肽和一条7S（300bp左右）RNA组成 的核糖核蛋白复合体，可结合GTP）。 信号识别颗粒受体：内质网停泊蛋白 (DP，一种GTP结合蛋白)。 易位子：由3-4个Sec61蛋白构成的通道，每个Sec61由3条肽链组成。 SRP 有三个主要活性区: 信号肽识别区：P54甲硫氨酸与信号肽疏水核 心结合； 核糖体结合区：P9、P14，阻断进一步翻译； 结合内质网停泊蛋白的区域。 停止转移序列：与内质网膜的亲合力 很高，阻止肽链继续进入网腔，成为 跨膜蛋白。
6、 粗面内质网合成分泌蛋白共翻译转运示意图 进入内质网腔的可溶性蛋白没有停止转移序列进入内质网腔的可溶性蛋白没有停止转移序列 除N端信号肽引导蛋白转运 至内质网外，内质网定位 蛋白还可能有开始转移序 列，内在停止转移锚定序 列（STA）、内在信号锚定 序列（SA，起信号肽、开 始转移、锚定的序列）等 内部信号序列指导内质网 膜蛋白的转运。 含内在停止转移锚定序列（STA）和内在信号锚定序列（SA）的 蛋白在内质网膜上的拓扑特征 膜 整 合 蛋 白 的 内 部 停 止 转 移 序 列 （ 内 部 停 止 转 移 锚 定 序 列 ） 和 开 始 转 移 序 列 （ 内 部 信 号 锚 定 序 列 ）
7、 在 蛋 白 膜 定 位 中 的 作 用 葡萄糖转运蛋白1等多跨膜螺旋蛋白的合成和转运：多个开始转移序列（内部信号锚定序列，不切除的信号 肽）和停止转移序列（内部停止转移锚定序列）形成多次跨膜。 水疱性口炎病毒包膜蛋 白的分选信号是存在于 细胞质基质一侧的双酸 分选信号，这种信号也 存在于其他膜蛋白上。 双酸分选信号指导膜蛋 白从内质网向高尔基体 运输。 上皮细胞顶端和基膜蛋白的分选： 水疱性口炎病毒（VSV）与普通感冒 病毒共同侵染上皮细胞时在内质网 上合成的两种病毒的包膜蛋白被高 尔基体转运小泡分别运输至上皮细 胞的基膜端和游离端。有些膜蛋白 分泌到基膜一侧在通过转胞吞作用 聚集到游离面质
8、膜上。 不仅蛋白质进入内质网需要信号引导，蛋白在内膜系统间运输也需 要信号。如内质网驻留蛋白的KDEL（HDEL）信号和KKXX信号（膜蛋 白），质膜整合蛋白由内质网进入高尔基体的双酸分选信号（Asp- X-Gln），溶酶体蛋白有高尔基体进入溶酶体的甘露糖-6-磷酸信号 等。 内膜系统之间及与质膜之间 的物质传递主要通过膜泡运 输进行。 运输小泡在膜的特定区域以 出芽、内吞的方式产生。表 面具有一个笼子状的由蛋白 质构成的包被（coat）。包 被在运输小泡与靶细胞器的 膜融合之前解体。 膜泡运输及内膜系统结构、 位置的组织依赖细胞骨架， 特别是细胞微管体系。 第二节 膜泡运输 高尔基体在细胞分
9、裂中的解体和分裂后重新组装高尔基体在细胞分裂中的解体和分裂后重新组装Golgi assembly occurs in 2 stages upon mitotic exit: (a) Video frames illustrating post-mitotic Golgi assembly in mCherry（一种红色荧光蛋白）-Rab6（定位于高尔基体或后高尔基体区室上的GTP结合蛋白，调节膜 泡运输、融合） expressing RPE1（一种视网膜上皮细胞株） cells. Time zero marks approximate onset of telophase（末期开始）. Box
10、ed area is enlarged below. (b) Postmitotic Golgi particle size based on live imaging experiments in NT-control cells. Average fold increase of Golgi particles relative to time zero is shown. (c) Enlarged box from (a) showing Golgi mini-stack (red) clustering (69, blue and yellow arrows indicate two
11、separate clusters) prior to re-location toward the centrosome (10). Miller et al. Golgi-derived microtubules cluster and organize Golgi mini- stacks (G-stage of Golgi assembly). At the same time, centrosomal microtubules collect Golgi stacks in the cell center (C-stage of Golgi assembly). In CLASP高尔
12、基 体膜上组织微管组装的一种蛋白）- depleted cells that have no Golgi-derived microtubules, G- stage is absent. 细胞分裂末期高尔基体重新组装由两套微管体系完成中心体微管体系（C- stage）和高尔基体微管体系（G-stage，高尔基体有微管组织中心的功能） 高尔基体重新组装依赖微管：(c) Showing MT nucleation (成核) at Golgi mini-stacks (red), binding of mini-stacks to MT (yellow arrow), and transport
13、along MT (white arrow) resulting in clustering along Golgi-nucleated MT. mCherry-Rab6 (red), GFP-EB3（一种 微管结合蛋白, green）. (d) Mini-stack clustering from (c), mCherry-Rab6 alone. Blue arrow, mini-stack where MT nucleates. Yellowarrow, transported mini-stack. Golgi assembly depends on directionality of
14、two MT subsets and on dynein activity: (ab) Overlaid GFP-EB3 (green) and mCherry-GT (red) video frames within 2.5 min. (a) EB3 tracks in a control cell illustrate radial centrosomal (yellow arrow) and tangential Golgiassociated (blue arrowhead) MT arrays. Box is enlarged in (a) for mCherry-GT and in
15、 (a”) for GFP-EB3. (b) Radial centrosomal (yellow arrow) EB3 tracks in CLASP-depleted cell (siRNA combination). Box is enlarged in (b) for mCherry-GT and in (b”) for GFP-EB3. (c) Video frames illustrating minus-end directed mini-stack movement (yellow arrow) along Golginucleated MTs upon nocodazole
16、（ 微 管 组 装 抑 制 剂 ） washout in mCherry-GT (red) and GFP-EB3 (green) expressing NT control cells. MT plus end, asterisk. Time after nocodazoleremoval is shown. When the G-stage is missing, Golgi organization is disturbed. Compare normally organized Golgi (left) to a partially scattered circular Golgi assembled by radial centrosomal microtubules in CLASP-depleted cells (right). Polarity of post-Golgi trafficking cannot be maintained in ce
