Wetenschap
Studie identificeert een nieuwe topogenese-route voor het vouwen en assembleren van multi-overspannende membraaneiwitten
Onderzoekers onder leiding van prof. Zhang Zairong van het Shanghai Institute of Organic Chemistry van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben een post-translationeel topogenese-pad geïdentificeerd voor de vouwing en assemblage van multi-overspannende membraaneiwitten (MSP's).
Van de ongeveer 5.000 membraaneiwitten die worden gesynthetiseerd in het endoplasmatisch reticulum (ER)-membraan van menselijke cellen, zijn meer dan de helft MSP's die een cruciale rol spelen in de cel- en organismefysiologie, waarbij ze functioneren als ionkanalen, transporteurs, receptoren en intramembraanenzymen.
Een aanzienlijk deel van deze functies is afhankelijk van polaire en geladen aminozuren, wat leidt tot de vorming van slecht hydrofobe TMD's (pTMD's). PTMD's worden echter geconfronteerd met uitdagingen als het gaat om de herkenning en integratie in de fosfolipidedubbellaag door de Sec61-translocon, die de voorkeur geeft aan hydrofobe TMD's.
In het menselijke proteoom bevat ongeveer 30% van de membraaneiwitten en meer dan 50% van de MSP's ten minste één pTMD. Hoe deze pTMD's effectief worden geïdentificeerd en precies worden verpakt in volwassen MSP-structuren is een belangrijke wetenschappelijke vraag geweest.
Met behulp van de zes-overspannende proteïne-adenosine-trifosfaat-bindende cassettetransporter G2 (ABCG2) als model, ontdekten de onderzoekers dat tijdens co-translationele translocatie het pTMD2 van ABCG2 door de centrale porie van de translocon naar het ER-lumen gaat, in plaats van te worden geïntegreerd in het ER-lumen. de fosfolipidedubbellaag door de laterale poort van de translocon.
Dit resulteert in de insertie van stroomafwaartse TMD's in het ER-membraan met omgekeerde oriëntaties, waardoor een uniek tussenproduct wordt gevormd. Na de translatie van de positief geladen C-terminale lysineresiduen vindt er een bijna mondiaal topologisch herschikkingsproces plaats.
Affiniteitszuivering toonde aan dat ATP13A1 het C-terminale positieve ladingssignaal van ABCG2 kan detecteren. Vervanging van lysineresiduen door negatief geladen of neutrale aminozuren verzwakt de interacties tussen ATP13A1- en ABCG2-mutanten aanzienlijk.
Bovendien resulteerde de knock-out van ATP13A1 in de schijnbare accumulatie van verkeerd gevouwen ABCG2-conformaties, voornamelijk die met verkeerd georiënteerde TMD6 in het ER-membraan. ATP13A1 speelt dus een cruciale rol in de topogenese van MSP's, waarbij de ATPase-activiteit ervan de dislocatie van het verkeerd georiënteerde TMD6 van de lipidedubbellaag naar het cytosol bevordert.
Vervolgens wordt het cytosolische TMD6 opnieuw geïntegreerd in het ER-membraan, waardoor de post-translationele topologische herschikking van andere stroomopwaartse TMD's wordt aangestuurd.
Na succesvolle herschikking van TMD's 4-6 kan het tussenproduct oligomeriseren tot een quaternaire structuur. Dit proces zal waarschijnlijk de integratie van pTMD2 in de uiteindelijke structuur van het waterige ER-lumen en in de volwassen structuur vergemakkelijken, die strak omhuld is door omringende TMD's.
Samenvattend is het onderzoek, nu gepubliceerd in Molecular Cell , legt uit hoe een "moeilijke" pTMD co-translationeel wordt overgeslagen voor insertie en post-translationeel wordt begraven in de uiteindelijke correcte structuur in de late vouwingsfase, waardoor overmatige blootstelling aan lipiden wordt vermeden.
Met name als gevolg van de blootstelling van pTMD2 aan het ER-lumen tijdens de ABCG2-topogenese, kan de N441-glycosyleringsmodificatie veroorzaakt door de genetische mutatie ABCG2-S441N de pTMD-assemblage in het late stadium van de topogenese aanzienlijk blokkeren. Omdat ABCG2 een urinezuurtransporter is, legt deze studie uit hoe deze mutatie nauw verbonden is met ziekten bij de mens, zoals jicht en hyperurikemie.