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1、细胞内蛋白质的分选和运输蛋白质在细胞质基质中合成后，按其氨基酸序列中分选信号(sorting signal)的有无以 及分选信号的性质被选择性地送到细胞的不同部位，这一过程称为蛋白质分选 (protein sor ting)和蛋白质靶向运输(pro tein targe ting)。另外，细胞外的蛋白质经胞吞作用进入 细胞内部，也经历分选和靶向运输过程。细胞中每一种蛋白质只有到达正确的位置才能行使 其功能，如RNA和DNA聚合酶必须送到细胞核中才能参与核酸的合成；酸性水解酶必须送 到溶酶体才能进行大分子的降解作用。因此，细胞内蛋白质的分选和运输对于维持细胞的结 构与功能、完成各种细胞生命活动都
2、是非常重要的。细胞内蛋白质的分选信号以及运输途径和方式号肽通常引导蛋白质从细胞质基质进入内质网、线粒体和细胞核，同时也引导蛋白质从 细胞核送回到细胞质基质以及从高尔基体送回到内质网；信号斑则引导一些其他分选过程， 如在内质网合成的溶酶体酶蛋白上存在一种信号斑，在高尔基体的CGN中可被N-乙酰氨基 葡萄糖磷酸转移酶所识别，从而使溶酶体酶蛋白上形成新的分选信号M-6-P,进一步在TGN 中被 M-6-P 受体识别,并分选进入运输小泡最终送到溶酶体(详见第十章)。每一种信号序列引导蛋白质到达细胞内一个特定的目的地(表10-1)。要运送到内质网 的蛋白质，在其N-末端有一段信号肽，其中间部分有5-10
3、个疏水氨基酸。带有这种信号肽 的蛋白质，都会被运送到内质网，并进一步被运送到高尔基体，其中一部分蛋白质在C-末 端还带有一个由 4 个氨基酸组成的信号肽，它们在高尔基体的 CGN 部位被识别并被送回内质 网，是内质网驻留蛋白质；要运送到线粒体的蛋白质，在其N-末端带有一种信号肽，其信 号序列中带阳电荷的氨基酸和疏水氨基酸呈交替排列；要运送到过氧化物酶体的蛋白质，在 其C-末端有一种由三个特征性氨基酸组成的信号肽；要运送到细胞核的蛋白质，其信号肽 中有一串带阳电荷的氨基酸，这一信号序列可位于蛋白质的任何部位。表 10-1 几种典型的信号序列(引自 Alberts 等， 2002)信号序列信号序列
4、的功能输入到细胞核 从细胞核输出 输入到线粒体输入到过氧化物酶体输入到内质网回输到内质网-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-+H N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-3Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu- -Ser-Lys-Leu-COO-+H N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-3Leu-P
5、he-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys- Glu-Val-Phe-Gln-Lys-Asp-G lu-Leu-COO-、细胞内蛋白质运输的途径细胞内的蛋白质分子在细胞质基质的核糖体上开始合成，然后根据其氨基酸序列中的分 选信号种类决定它们的运输途径；细胞外的一些蛋白质分子也可经胞吞作用摄入细胞内，进 入特殊的运输途径。因此，细胞内蛋白质有多种运输途径，一般可分为三种类型：（一）翻译后转运的蛋白质运输途径蛋白质在核糖体上合成后释放到细胞质基质中，其中一些蛋白质不带分选信号，就留在 细胞质基质中；而大多数蛋白质带有分选信号，将按其分选信号种类分别
6、转运到细胞的不同 部位。由于这种转运是在蛋白质分子完全合成后进行的，因此称为翻译后转运 （post-translational translocation）。属于这种蛋白质运输途径的主要有：（1）蛋白质从 细胞质基质通过核孔复合体到细胞核的运输；（2）蛋白质从细胞质基质到线粒体的运输；（3） 蛋白质从细胞质基质到过氧化物酶体的运输。近年来体外实验还发现，有少量蛋白质可在细 胞质基质完全合成后转运到内质网，这种情况在酵母中更多见。（二）共翻译转运的蛋白质运输途径蛋白质在核糖体上合成过程中转移到内质网，即在核糖体上多肽链开始合成不久，在 N-末端形成的信号肽引导核糖体附着到内质网膜上，信号肽穿入内
7、质网腔并继续其合成过 程，新合成的多肽链可游离于内质网腔内成为可溶性蛋白，也可插入内质网膜成为跨膜蛋白。 以这种方式合成的蛋白质除一部分留在内质网外，大部分将运送到高尔基体，在那里作进一 步分选和运输。由于这种转运是在蛋白质合成过程中进行的，因此称为共翻译转运 （co-translationaltranslocation）。属于这种蛋白质运输途径的主要有：（1）蛋白质从内 质网经高尔基体到细胞外的运输，称为生物合成-分泌途径（biosynthetic secretory pathway） ； （2）蛋白质从内质网经高尔基体到溶酶体的运输。（三）蛋白质的胞吞途径细胞通过胞吞作用摄取细胞外蛋白质和
8、其他大分子，进入胞吞小泡，并进一步经内体运 送到溶酶体，在那里大分子被降解，降解产物进入细胞质基质为细胞利用，这种蛋白质运输 途径称胞吞途径（endocytic pathway）。二、细胞内蛋白质的运输方式蛋白质在细胞内的运输方式是由蛋白质分子上的分选信号决定的。在门控运输时，蛋白 质分子上的分选信号与位于核孔复合体部位的相应受体特异结合才能介导主动运输；在穿膜 运输时，蛋白质分子上的分选信号必须被靶膜中相应的蛋白质转运子所识别，否则不能穿膜； 在小泡运输中，蛋白质分子上的分选信号与运输小泡膜上特殊受体相结合，然后作定向运输， 每种新形成的运输小泡只运送一种蛋白质，并与特定的靶细胞器融合。第二
9、节 细胞内蛋白质的门控运输一、门控运输的蛋白质分选信号及其受体 蛋白质和其他大分子物质通过核孔复合体的主动运输是一个信号识别和载体介导的过 程。从细胞质输入到细胞核的蛋白质以及从细胞核输出到细胞质的大分子或核糖体亚基都带 有分选信号，它们被核孔部位相应的受体识别，从而使核孔通道选择性地开放，介导了主动 运输过程。应用各种金颗粒的示踪实验表明，在主动运输过程中，核孔通道可以膨大到 26nm。（一） 核定位信号及其受体1、核定位信号 大分子经核孔复合体的主动运输可以用实验观察，一个典型的实验是 从蛙卵细胞核中提取出一种蛋白质叫核质素（nucleoplasmin），它能通过蛋白水解分成头部 和尾部两
10、个片断，将头部和尾部用放射性同位素标记后再分别注射到蛙卵细胞质内，通过放 射自显影方法可以看到核质素的尾部很快进入细胞核而头部则留在细胞质内。用20nm胶体 金颗粒与核质素尾部结合后注射到细胞质内，尽管金颗粒大于核孔通道直径，还是能随着核 质素尾部进入细胞核。这一实验表明，在核质素尾部必定存在着一种信号，它能使核孔通道 暂时性扩大并引导蛋白质进入细胞核。类似的实验发现，把细胞核内的蛋白质抽提出来，用 微注射方法注入细胞质，即使是很大的蛋白质分子也会有效地聚集到细胞核内。这种选择性 的核输入过程主要决定于细胞核蛋白 质中存在着分选信号，称 为核定位信号 (nuclear localization
11、 signal), 又称核输入信号(nuclear import signal)。核定位信号最初是在 一种SV40病毒编码的蛋白质“T抗原”中发现的，T抗原是分子量为90KDa的一种蛋白质， 是病毒在细胞内复制所必需的。在正常情况下, T 抗原在细胞质中合成后很快进入细胞核。 但有一种只有1个氨基酸不同的突变，所产生的T抗原就不能进入细胞核而留在细胞质中， 因此认为这一突变位于核定位信号序列中。后来证明，T抗原的核定位信号是一段有8个氨 基酸序列的短肽，富含带阳电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，位于多肽链的内部区域。进一步研究表明，核定位信号可以是信号肽，也可以是信号斑，许多细胞核蛋白质中 可存在
12、 1 个或2 个信号序列，可位于多肽链的任何部位，都富含带阳电荷的赖氨酸、精氨酸 和脯氨酸，具体的氨基酸序列可因不同蛋白质而异。将核定位信号接在其他蛋白质上，也可 引导它们进入细胞核，信号序列在蛋白质中的位置并不重要。蛋白质输入细胞核后，其信号 序列并不被切除。细胞核内的蛋白质在细胞分裂时与细胞质混合，分裂完成后再次输入细胞 核，由于蛋白质的核定位信号没有被切除，因此很容易再次输入细胞核。2、核输入受体 核定位信号的受体称为核输入受体(nuclear import receptor)，它 是由相关的基因家族编码的一类受体蛋白，每一个家族人员编码一种核输入受体，可识别一 组具有相似核定位信号的细
13、胞核蛋白质。核输入受体是可溶性的细胞质基质蛋白，它既能与输入蛋白的核定位信号结合，又可 与核孔复合体的核孔蛋白(nucleoporin)结合，从而介导了蛋白质通过核孔通道的运输。核 孔复合体由50多种核孔蛋白组成，有些核孔蛋白形成触须状纤维从核孔复合体的边缘伸向 细胞质，还有些核孔蛋白排列在整个核孔通道上。核孔蛋白含有大量由苯丙氨酸和甘氨酸组 成的短的氨基酸重复序列(Phe-X-Phe-Gly和Gly-Leu-Phe-Gly),称FG重复序列，它们是 核输入受体的结合位点。在细胞质基质中，核输入受体与蛋白质的核定位信号结合形成蛋白 复合体，再结合到从核孔复合体伸向细胞质的核孔蛋白纤维上，这些蛋
14、白复合体通过与 FG 重复序列结合、解离、再结合、再解离的方式沿着核孔通道移动，一旦进入细胞核，核输入 受体与结合的蛋白质解离，蛋白质留在细胞核内，受体本身则返回到细胞质。核输入受体并不总是直接与核定位信号结合，有时在核输入受体与核定位信号之间有 一个接合蛋白(adaptor)作为连接桥梁。接合蛋白在结构上与核输入受体相似，它们在进化 上可能是同源的。联合使用核输入受体和接合蛋白，可使细胞能识别各种核定位信号。(二) 核输出信号及其受体 大分子从细胞核输出到细胞质，如新装配的核糖体亚基和各种 RNA 分子的输出，同样要 依靠选择性的运输系统来通过核孔通道。这种运输系统的核心是位于输出大分子上的
15、核输出 信号(nuclear export signal)及其相应的核输出受体(nuclear export receptor)。不同大 分子的核输出信号在结构上不相同，有些核输出信号的氨基酸序列中富含亮氨酸，有些则不 同，目前还不清楚核输出信号是否有共同的特征。核输出受体能同时与核输出信号和核孔蛋 白结合，介导大分子通过核孔通道进入细胞质。核输出受体在结构上与核输入受体相似，单 从氨基酸序列看，两者很难区分，实际上两者由同样的核运输受体 (nuclear transport recep tor)基因家族编码。因此，核输出运输系统与核输入运输系统以同样的方式工作，仅 仅是方向相反。核输入受体在
16、细胞质与蛋白质结合，到细胞核释放它们，其本身回到细胞质 重新利用；核输出受体的作用过程正相反。将小分子RNA,如tRNA,与金颗粒结合后注射到培 养细胞的细胞核中，它们会很快通过核孔通道进入细胞质；如果用两种不同大小的金颗粒， 一种与RNA结合后注射到细胞核，另一种与带有核定位信号的蛋白质结合后注射到细胞质，就可以看到两种大分子的双向运输。一、蛋白质从细胞质基质到过氧化物酶体的运输 蛋白质到过氧化物酶体的运输与到线粒体的运输有几个不同的地方：首先，过氧化物酶 体没有自己的 DNA 和核糖体，因此过氧化物酶体所有的蛋白质都是由细胞核 DNA 编码、 在细胞质基质的核糖体上合成的；其次，新合成的蛋白质往往在细胞质基质中折叠形成成熟 的蛋白质构型，然后再运送到过氧化物酶体，而蛋白质到线粒体的穿膜运输是以非折叠状态 进行的；另外，蛋白质从细胞质基质到过氧化物酶体的运输需要 ATP 水解提供能量，但不
