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结构生物化学/蛋白质功能/跨膜蛋白

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α螺旋膜蛋白整合到内质网膜的基本机制已经确定。然而,科学家们正在寻求更清晰地了解这些机制及其动力学,以整体理解膜蛋白整合。因此,使用体内体外实验来更深入地了解膜蛋白整合至关重要。

通用跨膜蛋白的机制

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目前提出的机制[1]如下:粗面内质网靶向信号,特别是跨膜区段(TM),被细胞质中的信号识别颗粒(SRP)识别。此跨膜区段连接到核糖体-新生肽复合体(RNC),而RNC又连接到SRP;然后SRP在其膜上形成自身与内质网SRP受体之间的稳定复合体。随着SRP解离,RNC附着到Sec61,一种共翻译易位通道。即使在穿过该通道之前,TM区段也会折叠成α螺旋方向。在这样做时,会有足够的氢键供体和受体,使其余蛋白质采用正确的α螺旋折叠。

体外 vs 体内 实验

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为了进一步研究上述机制的细节,科学家们使用了体外实验,但这些实验存在问题。一个问题是,体外实验无法提供关于膜蛋白整合动力学的准确数据。显然,这种情况下的限制因素是,体外实验不在真实的活细胞中。相比之下,体内研究表明,真核翻译系统以每秒5-7个残基的速度合成蛋白质。相比之下,体外实验仅限于合成速度的5-10%。另一个问题是,同样,过去实验数据是从体外环境中获得的,不反映真实的细胞。在这种情况下,纯化和分析膜蛋白整合中间体所需的时间可能导致研究了中间体平衡后剩余部分的动力学,而不是反应性中间体的实际动力学。

体内实验揭示了该机制的一些细节。在一个实验中[1],使用酿酒酵母或芽殖酵母细胞。在研究SRP-SR靶向途径时,科学家们破坏了SR和SRP基因。这导致细胞生长速度减慢,以及其他功能性损失,但细胞通过利用SRP-SP独立途径适应了这种损失。这向研究人员展示了利用体内实验来充分了解特定机制工作原理的重要性。从这个实验中,人们可以看到SRP-SR途径不是RNC结合膜的唯一途径。

另一个体内实验[1]阐明了RNC靶向内质网的方式的动力学。在这个实验中,膜蛋白的腔内域用磷酸化位点标记。由于残基的磷酸化只能在激酶位于细胞质中时发生,并且由于腔内域很少暴露于细胞质中,科学家们能够计算出SRP介导的RNC靶向所需的时间。

TM区段的方向,或更具体地说,拓扑结构,也使用体内实验进行研究。在正常功能的细胞中,拓扑结构由TM区段上的带电残基决定。对于这个特定的细胞,有两种拓扑结构:一种(类型2)发生在N端净正电荷时,另一种拓扑结构发生在C端净正电荷时(类型1)。[1]在将这两种拓扑结构体内混合后,科学家们发现类型2膜蛋白以类型1拓扑结构插入Sec61复合体,但在50秒内反转回原始类型2形式。 [1]这些发现也得到了体外实验的证实。科学家们还发现,当TM区段在前面有带正电荷的残基时,这种反转发生得更快。

这些例子表明了体内实验在确定α螺旋膜蛋白整合到内质网中的微小细节方面的重要性。虽然体外实验确实揭示了该机制工作原理的许多观点,但视野非常有限。体内实验与体外实验相结合,可以提供关于该机制究竟如何工作以及反应动力学如何发生的无与伦比的视角。此外,这两种类型的实验,特别是体内实验,可以为以前未知的其他机制和细胞功能打开许多途径。

参考文献

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  1. a b c d e Gilmore, Reid; Mandon, Elisabet C. (2012). "理解α螺旋膜蛋白的整合:下一步". 生物化学趋势. 37 (8): 303–8. doi:10.1016/j.tibs.2012.05.003. PMC 3557837. PMID 22748693.
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