Fehérjeszállítás a peroxiszómába

Az oxidációs és szintetikus folyamatokat bonyolító, egyetlen membránnal határolt peroxiszóma valamennyi eukarióta sejtben jelen van, bár mennyisége és mérete sejttípusonként és a körülményektől függően is eltérő lehet. Mind osztódással, mind de novo, az ER-ből lefűződve jöhetnek létre új peroxiszómák. Mindez természetesen specifikus fehérjék szintézisétől és peroxiszómába jutásától függ, hiszen saját genommal és transzlációs apparátussal nem rendelkeznek.

A peroxiszóma mátrix- illetve membránfehérjéinek transzportjáért felelős szállítóapparátus tagjait elsősorban mutációk vizsgálatával azonosították. Az ilyen mutációk hatására vagy egyáltalán nem képződnek peroxiszómák, vagy hiányzanak belőlük a működéshez elengedhetetlen enzimek – egyes esetekben akár teljesen üresek is lehetnek. Az öröklődő súlyos, néha halálos emberi betegség, a Zellweger-szindróma oka éppen a peroxiszomális fehérjeimport valamilyen defektusával járó genetikai hiba. Különböző Zellweger-szindrómás páciensek, valamint élesztő-mutánsok vizsgálatának eredményeképpen jelenleg 32, a peroxiszomális transzportban szerepet játszó gént azonosítottak, az általuk kódolt fehérjéket peroxinoknak (Pex) hívják.

Transzport a peroxiszóma mátrixába

A mátrixba irányító leggyakoribb szignál régóta ismert, a fehérjék C-terminálisán található. Ez egy, a működő fehérjében is megmaradó, általában szerin-lizin–leucin (egybetűs kóddal: SKL) szekvencia, PTS1-nek is nevezik (peroxisome targeting signal 1). Bár legtöbbször ez a három aminosav valóban elegendő a célba jutáshoz, újabban kimutatták, hogy egyes esetekben néhány környező aminosav jelenléte szintén szükséges a PTS1 jel működéséhez. A peroxiszóma mátrixában működő enzimek egy másik, jóval kisebb csoportjában viszont egy N-terminális, többféle variációban előforduló peptid található, amelyet PTS2-nek hívnak. A kétféle jelhez a citoszolban kötődő receptorokat is majdnem két évtizede azonosították. A PTS1-et a Pex5 nevű receptor önállóan, a PTS2-t a Pex7 receptor koreceptorok segítségével ismeri fel (16. ábra).

16. ábra Fehérjék transzportja a peroxiszóma mátrixába. (I) A Pex5 illetve Pex7 receptorok felismerik a szállítandó fehérjék szignálját (PTS: peroxisome targeting signal). (II) A receptor-fehérje komplex a peroxiszóma membránjában lokalizálódó Pex13/14 komplexhez kötődik. (III) A Pex5 és a Pex 14 csatornát képez a membránon keresztül, és (IV) a szállított fehérje a lumenbe kerül. (V) A Pex5 reciklizációja; magyarázat a szövegben és a 17. ábrán. (Biochimica et Biophysica Acta 2010, 1803, 724–731)

Talán meglepő, hogy magát a peroxiszomális fehérjetranszport mechanizmusát a legutóbbi időkig teljes homály övezte. Két nehezen magyarázható aspektusa is van ugyanis a folyamatnak:

  1. a peroxiszóma membránján térszerkezetüket teljesen felvett, „érett” fehérjék, sőt, akár összeszerelődött nagy komplexek jutnak át;

  2. mindmáig nem tudták állandó csatorna jelenlétét kimutatni. Hogyan lehetséges ez?

Az utóbbi évek eredményei kezdenek választ adni a felmerült kérdésekre, bár sok részlet felderítése még várat magára. Az alábbiakban a jelenleg legelfogadottabb hipotézis rövid összefoglalása következik.

A PTS1-tartalmú fehérjéhez kötött Pex5 a peroxiszóma membránjában egy integráns fehérjékből álló dokkoló komplexen (Pex13/14) landol. Ezek után a Pex14 és a Pex5 oligomerizálódik, a Pex5 a membránba integrálódik, magával „cipelve” a transzportálandó fehérjét is. Ily módon egy átmeneti pórus képződik a membránban. A PTS1-tartalmú fehérje kiszabadul a mátrixba (élesztőkben egy következő komponens, a Pex8 segítségével).

A továbbiakban a Pex5-nek vissza kell jutnia a citoplazmába. Míg maga a peroxiszomális fehérjeimport energiát nem igényel, a receptor reciklizációjának két lépése is ATP-függő folyamat. Az exporthoz, érdekes módon, szükség van a Pex5 mono-ubikvitinálódására, ez a folyamat egyik energiaigényes lépése. Ezt a peroxiszóma membránjában található E2 ubikvitin konjugáló enzim (Pex4) és az E3 ubikvitin-ligázokból álló RING-komplex (Pex2/10/12) viszi véghez (16. és 17. ábra; az ubikvitinálódás szerepét a fehérjék életében az 10. fejezet taglalja részletesen).

17. ábra A Pex5 mono-ubikvitinálódás hatására reciklizálódik, míg a poli-ubikvitináció a degradálódás útjára tereli. Az egyes membrán-komponensek szerepét lásd a szövegben. (Biochimica et Biophysica Acta 2010, 1803, 724–731)

A mono-ubikvitinált Pex5 egy export-komplexhez (Pex1/6/15) kötődik, amelynek két tagja (a Pex1 és a Pex6) szintén ATP-áz aktivitású – ez a második ATP-függő lépés. A citoszolban a Pex5 deubikvitinálódik, és készen áll egy újabb import-ciklus lebonyolítására. Úgy találták, hogy esetenként a Pex5 poliubikvitinálódhat is, ekkor proteaszomális degradáció lesz a sorsa – valószínűleg egy peroxiszomális minőség-ellenőrzés eredményeképpen.

A Pex7 receptor által közvetített importról jóval kevesebb adat áll rendelkezésre, de azok alapján elképzelhető, hogy a PTS2 jelet hordozó mátrix-fehérjék is hasonló úton kerülnek rendeltetési helyükre.

Transzport a peroxiszóma membránjába

A membránfehérjék (PMP: peroxisomal membrane protein) ugyancsak a mitokondriumnál leírtaktól eltérő módon épülnek a peroxiszómába. Már korai kísérletekből kiderült, hogy a mátrixba illetve a membránba irányított fehérjék független úton importálódnak, hiszen a Pex-mutánsok többségében csak a mátrixban működő enzimek hiányoztak, üres, de egyébként ép membránszerkezetű peroxiszómákat detektáltak. A kevés számú, de a peroxiszómák teljes eltűnésével járó mutációk (Pex3, Pex16, Pex19) azonosították azokat a géneket, amelyek terméke a membrán struktúrájának kialakításában játszik szerepet.

A PMP-k szignálja (mPTS; membrán PTS) nehezen azonosítható, konszenzus szekvenciát eddig nem sikerült hozzárendelni. A jelenlegi ismeretek alapján a PMP-k nagy többségét a Pex19 fehérje ismeri fel a citoszolban. A Pex19 valószínűleg nemcsak receptorként, hanem dajkafehérjeként is viselkedik, megvédve a hidrofób transzmembrán régiókat. A Pex19-PMP komplex a peroxiszóma membránjában található Pex3/16-komplexhez kapcsolódik (a Pex19 farnezil oldallánca szerepet játszik a lipidréteghez rögzülésben). Ezután – eddig tisztázatlan módon – a Pex19 is a membránba integrálódik, és így harmadik funkciója az, hogy segít a szállított fehérje beépülésében is. Mindez egy, a Pex5 receptorhoz hasonló működést feltételez, de nem ismert sem a Pex19 reciklizációjának mechanizmusa, sem az, hogy a folyamat melyik lépése jár energia-felhasználással.

18. ábra A peroxiszóma membránfehérjéinek integrálódása. Receptorként a Pex19 ismeri fel a membrán-lokalizációt biztosító jelet (PMP: peroxisome membrane protein), és a fehérjét a membránban található Pex3/Pex16 komplexhez szállítja. (Biochimica et Biophysica Acta 2010, 1803, 724–731)

Régóta vitatott kérdés volt, hogy a peroxiszómák – a mitokondriumokkal, kloroplasztiszokkal szemben – létrejöhetnek-e de novo. A kérdést egy olyan kísérlet döntötte el, amelyben Pex3-mutáns, peroxiszómákkal egyáltalán nem rendelkező élesztősejtbe kívülről juttatták be a Pex3-at kódoló mRNS-t. Ennek hatására képződtek új peroxiszómák – és ez azt is bizonyította, hogy a de novo szintézisben a membránfehérje Pex3-nak alapvető szerepe van. Ma úgy gondolják, hogy a Pex3 és a Pex16 is képes az endoplazmás retikulum membránjába épülni, ugyanúgy, mint a „szabályos” ER membránfehérjék (az ER-be irányuló fehérjetranszporttal kapcsolatban: lásd 6. fejezet). Ott egyéb Pex fehérjéket (például a Pex19-et) gyűjtenek maguk köré, ily módon speciális területet alakítanak ki az ER-en belül, amely aztán „újszülött” peroxiszómaként lefűződhet. További PMP-k beépülésével létrejön a mátrixfehérjék transzlokációját biztosító apparátus, és kialakul a működőképes peroxiszóma (19. ábra).

19. ábra A peroxiszóma de novo szintézisének mechanizmusa. Mind a Pex3, mind a Pex16 (az ábrán ez utóbbi nincs feltüntetve) az ER membránjában szintetizálódik, majd az ER speciális területeiről a Pex19 közvetítésével pre-peroxiszomális vezikulákba fűződnek le. Ezen három Pex-fehérje jelenléte teszi lehetővé előbb a peroxiszóma többi membránfehérjéjének integrálódását, majd a megfelelő Pex-ek segítségével a mátrix „feltöltését” is. PMP: peroxisome membrane protein; mPTS: membrán-PTS (peroxiszóma targeting szignál). (JCB 2011, 193, 7-16)

Az érett peroxiszómák régóta ismert osztódásában szerepet játszó fehérjét is azonosították már. A Pex11 szükséges ehhez, mesterséges túltermeltetésével nagymértékben megnőtt a peroxiszómák száma a sejtben. Tehát minden adott ahhoz, hogy akár egyszerű osztódással, akár az ER-ből kiinduló szintézissel a sejt – szükség esetén - új peroxiszómákat hozzon létre (20. ábra)

20. A peroxiszómák száma de novo, és osztódás útján is növekedhet. Pex11: az osztódásban szerepet játszó Pex-fehérje; DLP: dynamin-like protein: a vezikula lefűződésében szerepet játszó dinamin G-fehérjék családjába tartozó fehérje. (Biotechnology Letters 2011, 33(10), 1921-1931)