Az ER és a Golgi-készülék közötti anyagforgalom

Az ER-ből a Golgi-készülék felé: az anterográd transzport

Az ER-ből a minőség-ellenőrzésen átesett szolubilis és membránfehérjék a Sar1 G-fehérje által kialakított COPII-burkos vezikulákban (2. ábra és 8. fejezet 4. ábra)

2. ábra A COPII-es burok kialakulása. A Sar1 G-fehérje GDP-kötött formában a citoszolban található. GTP-kötött formájában (a GDP-GTP cserét guanin-cserélő faktora, a Sar1-GEF segíti) képes a membrán külső rétegébe integrálódni, és a COPII burokfehérjék közül a Sec23/24 komplexet a felszínre toborozni. A Sec23/24 komplexnek fontos szerepe van a szállítandó fehérjék koncentrálásában, valamint lehetővé teszik a másik COPII-es burokalkotó, a Sec13/31 komplexnek a membrán felszínéhez csatlakozását. A burokfehérjék a membránfelszín görbüléséhez is hozzájárulnak.

indulnak tovább a Golgi-készülék cisz oldala felé. Ezt a haladási irányt, mivel a szekréciós út a sejt belsejéből a sejten kívüli tér felé halad, anterográd, azaz előreirányuló transzportnak nevezik. A vezikulák általában az ER Golgi-készülék felé néző, kötött riboszómáktól mentes felszínén, az ER kilépési helyein (ER exit site) alakulnak ki.

Néhány membránfehérjénél sikerült egy olyan jelet kimutatni (Asp-X-Glu: úgynevezett „két-savas” jel, ahol X bármilyen aminosav lehet), amely a citoszol felőli oldalon a COPII burok egyik heterodimer elemével (Sec23/24 komplex) interakcióba lépve a képződő vezikula területére koncentrálja őket, és lehetővé teszi szelektív transzportjukat (2. ábra). Vannak olyan szolubilis szekretálódó fehérjék is, amelyek ilyen szignállal rendelkező membránfehérjék lumen felőli részéhez kapcsolódva gyűlnek össze a lefűződés helyén. Ekkor a transzport-jelet tartalmazó membránfehérjék receptorként működnek. Kimutatták olyan transzmembrán fehérjék jelenlétét is a COPII-vezikulákban, amelyek a cukorláncokat kötő lektinek családjába tartoznak: a szekréciós fehérjéket oligoszacharid oldalláncuk alapján ismerik fel és koncentrálják a vezikulába. Ugyanakkor feltehető, hogy a nagy mennyiségben képződő váladékfehérjék többségének nincs szüksége külön transzport-jelre, hiszen nagy koncentrációban vannak jelen az ER-ben, emiatt aztán a képződő vezikulákba is elsősorban ők kerülnek bele. Kísérletek sora igazolta, hogy egyéb jelre a szekréciós fehérjéknek nincs is szükségük: az anterográd útvonal egyenesen a sejten kívüli térbe szállítja őket, csak a szekréciós út egyéb célállomásai igényelnek külön szignált.

A még nem teljesen kész, vagy rossz térszerkezetű fehérjéket membrán-kötött és szolubilis dajkafehérjék tartják vissza az ER-ben (lásd 6. fejezet). Egyes esetekben a dajkafehérjék éppen a transzport-jelre kötnek és lefedik azt, ily módon is biztosítva, hogy csak teljesen ép fehérjék jussanak tovább a szekréciós úton.

A lefűződő COPII-es vezikulák időnként önállóan teszik meg a Golgi-készülék felé vezető utat, elsősorban akkor, ha a donor- és célmembrán közötti távolság kicsi. A legtöbb esetben azonban a burok elvesztése után a vezikulák egymással fúzionálnak (homotipikus fúzió; lásd 8. fejezet), hosszú, csőszerű szerkezetet képezve. Ezt a beolvadó (és leváló) vezikulák miatt folyton változó, a mikrotubulusok mentén a Golgi-készülék irányába haladó struktúrát vezikuláris-tubuláris klaszternek nevezik. Ezek a nagyméretű, gyorsan vándorló, elektronmikroszkópban azonosítható képletek végül a Golgi-készülék cisz oldalához érkeznek és fuzionálnak vele, a cisz-Golgi hálózat (CGN, cis-Golgi network) részét képezve (3. ábra).

3. ábra A Golgi-készülék kompartmentjei és a közöttük közlekedő vezikulák típusai. Vastagon és bordó színnel vannak feltüntetve az egyes, morfológiailag és funkcionálisan megkülönböztethető terek. Rövidítések: ER: endoplazmatikus retikulum; VTC: vezikuláris-tubuláris klaszter; CGN: cisz-Golgi hálózat (network); TGN: transz-Golgi hálózat (network). Az anterográd irányú transzportot fekete, a retrográd transzportot piros nyilak jelzik.

A Golgi-készüléktől az ER felé: a retrográd transzport

Az ER-ben zajló folyamatokat bemutató 6. fejezetben megismerhettünk olyan szolubilis enzimféleségeket (például a BiP chaperonok, PDI), amelyek nagy mennyiségben vannak jelen az ER lumenében. Ezek, és más, úgynevezett ER-rezidens fehérjék nyilvánvalóan nem tartalmaznak semmiféle olyan jelet, amely őket a Golgi-készülék felé irányítaná. Ugyanakkor a vezikuláris transzport mechanizmusa, amely csak „pozitív szelekcióra” képes, nem tudja kizárni őket a képződő vezikula üregéből, az ER-rezidens fehérjék egy része időről-időre megszökik egy-egy lefűződött COPII-burkos vezikulában. Miután egyéb jel hiányában a szekréciós út „alapértelmezett” végállomása az extracelluláris tér, az ER enzimei egy idő után kiürülhetnének a sejtből. Ez nyilvánvalóan nagy pazarlás lenne a sejt részéről, az ER-rezidens fehérjék pótlása folyamatos, extra fehérjeszintézist igényelne – ennél jóval egyszerűbb, ha valahogyan gondoskodik a visszaszállításukról. Ráadásul a vezikuláris transzport során a donormembrán felszíne állandóan csökken, és ez természetesen az ER-re is vonatkozik. Tehát a COPII-es vezikulákkal távozott membránt, és a benne található, az anterográd transzportot biztosító membránfehérjéket (v-SNARE-k, GEF-ek, transzmembrán receptorok) is vissza kell juttatni az ER-hez.

Logikus megoldás, hogy ez is vezikuláris transzporttal történjen: most a vezikulák az anterográd transzport célmembránjából, a cisz-Golgi-készülék, a CGN, sőt, az anterográd transzport elején formálódó vezikuláris-tubuláris klaszter területéről fűződnek le és haladnak „hátrafelé”, az ER irányába: ez a retrográd transzport (3. ábra). Ezen kívül valamennyi, a szekréciós út későbbi állomásai között később lejátszódó, pótlás céljából visszafelé irányuló szállítást is így nevezik.

Az is könnyen érthető, hogy a retrográd transzportban szerepet játszó vezikulákat más típusú fehérjéknek kell burkolnia. Az ER és a Golgi-készülék közötti szűk térben vezikulák tömege áramlik mindkét irányba, de lefűződésükkor nem ugyanazon fehérjék válogatódnak ki szelektíven. A retrográd transzport vezikuláit COPI-es fehérjék burkolják - lásd 8. fejezet (ezeket azonosították először, ezért kapták az I sorszámot). Lefűződésük más kis G-fehérjék (ARF GTP-ázok) és más GEF-ek (ARF-GEF-ek) interakciója során következik be, de a mechanizmus megegyezik a 8. fejezetben leírtakkal. A COPI-es burkot hét különböző monomer képezi, amelyek a citoszolban is komplexet, úgynevezett coatomert képeznek, majd a membránhoz kapcsolódva polimerizálódnak, és a membrán görbítésével formálják a képződő vezikulát. A membrán görbülését érzékelő ARF-GAP-ok serkentik az ARF GTP-áz-aktivitását. Az ARF-ok GDP-kötött formájukban távoznak a membránból, ami a burok szétesésével jár (4. ábra).

Ezen kívül valamennyi, a szekréciós út későbbi állomásai között később lejátszódó, pótlás céljából visszafelé irányuló szállítást is így nevezik.

Az is könnyen érthető, hogy a retrográd transzportban szerepet játszó vezikulákat más típusú fehérjéknek kell burkolnia. Az ER és a Golgi-készülék közötti szűk térben vezikulák tömege áramlik mindkét irányba, de lefűződésükkor nem ugyanazon fehérjék válogatódnak ki szelektíven. A retrográd transzport vezikuláit COPI-es fehérjék burkolják - lásd x fejezet (ezeket azonosították először, ezért kapták az I sorszámot). Lefűződésük más kis G-fehérjék (ARF GTP-ázok) és más GEF-ek (ARF-GEF-ek) interakciója során következik be, de a mechanizmus megegyezik az x fejezetben leírtakkal. A COPI-es burkot hét különböző monomer képezi, amelyek a citoszolban komplexet, úgynevezett coatomert képeznek, majd a membránhoz kapcsolódva polimerizálódnak, és a membrán görbítésével formálják a képződő vezikulát. A membrán görbülését érzékelő ARF-GAP-ok serkentik az ARF GTP-áz-aktivitását. Az ARF-ok GDP-kötött formájukban távoznak a membránból, ami a burok szétesésével jár (4. ábra).

4. ábra A Golgi-ER retrográd transzportot biztosító COPI-es vezikulák kialakulása. Az ábrán az első lépések nincsenek feltüntetve, az ARF-GEF működése és az ARF-GTP membránba integrálódása lényegében megegyezik a Sar1-GTP-ével (2. ábra). A COPI-coatomerek szintén membránfehérjéket vonzanak (lásd később), és polimerizációjuk görbíti a membránt. Ezt érzékelik az ARF-GAP-ok, amelyek serkentik az ARF GTP-bontó-aktivitását. A GDP-kötött ARF visszatér a citoszolba, a coatomerek leválnak, és velük együtt távozik a folyamatot megindító ARF-GAP is.színűek.

A hatékony visszaszállításhoz a szolubilis ER-rezidens fehérjék külön jelet, úgynevezett retenciós jelet hordoznak. Ez a C-terminálisukon található KDEL szignál (Lys-Asp-Glu-Leu vagy nagyon hasonló aminosavakból álló szekvencia). A KDEL szignált a KDEL transzmembrán receptorok ismerik fel, és már az anterográd útvonal ER utáni első állomásain megkötik az ezt hordozó, az ER-ből kiszökött fehérjét. A KDEL-receptorok a szerveződő COPI-es vezikulák területére koncentrálódnak, mert citoszolikus doménjük szintén retenciós jelet hordoz: a legismertebb ezek közül a C-terminális KKXX (két lizin, utána bármilyen két aminosav). A KKXX jelet a COPI-es burokfehérjék α és β alegysége képes kötni. A KDEL-receptorok ligandjuk kötése után valószínűleg olyan szerkezeti változáson mennek keresztül, amely elősegíti retenciós jelük és a COPI burok közötti interakciót (5. ábra).

5. ábra Az ER fehérjéinek retrográd transzportja. A szolubilis fehérjéket specifikus KDEL-jelüket felismerő és kötő KDEL-receptorok szállítják vissza az ER-be. A KDEL receptor és az ER rezidens membránfehérjéi maguk hordozzák a COPI-es vezikulákba történő szelektív felvételhez szükséges szignált (leggyakrabban két C-terminális lizint). A KDEL-receptor csak az ER lumenétől különböző, annál enyhén savasabb terekben képes megkötni szubsztrátjait, ezért csak retrográd irányba, vissza az ER-be szállítja a „megszökött” ER-rezidens fehérjéket. Anterográd transzport: fekete nyíl, retrográd transzport: piros nyíl. VTC: vezikuláris-tubuláris klaszter; CGN: cisz-Golgi hálózat (network); TGN: transz-Golgi hálózat (network).

Ilyen KKXX vagy hasonló, COPI-hez kapcsoló jelet tartalmaz valamennyi ER-rezidens transzmembrán fehérje, mert kis valószínűséggel, de ők is lefűződhetnek az ER membránjából a COPII-es vezikulákba. De retenciós szignálja van maguknak a COPII-es vezikulák kialakításában szerepet játszó transzmembrán fehérjék egy részének és a szekréciós fehérjéket szállító receptoroknak is – hiszen visszatérítésük az ER membránjába elengedhetetlen az újabb COPII-es vezikulák indításához.

Tehát az ER és a Golgi-készülék közötti forgalom egyes transzmembrán elemei, például a szolubilis fehérjéket szállító receptorok nagy hatékonysággal épülhetnek be mind COPII-es, mind COPI-es típusú vezikulába. Vajon mi biztosíthatja azt, hogy az általuk szállított fehérje csak az egyik irányba haladjon, és ne kerüljön vissza receptorával együtt a kiindulási helyre? Például a KDEL-receptorok esetében fontos, hogy az ER lumenének enzimei csak a vezikuláris-tubuláris klaszter vagy a Golgi-készülék területén kapcsolódjanak nagy affinitással hozzájuk, az ER-be visszatérve váljanak le. Különben hasonlóan receptorukhoz, a KDEL-jelet hordozó fehérjék is ide-oda mozognának a kompartmentek között, ahelyett, hogy az ER-ben koncentrálódnának. Ugyanez vonatkozik, ellentétes irányultsággal, a szekréciós fehérjék receptoraira is: ezeket a fehérjéket nagy hatékonysággal kell kötni az ER területén, és el kell engedni a Golgi-készükékhez érve. A KDEL-receptor esetében már ismert, hogy az ER és a Golgi-készülék belső tere közötti kis pH-különbség okoz olyan konformáció-változást a receptor szerkezetében, amely lehetővé teszi, hogy az ER-ben elengedje a későbbi állomásokon „felszedett” KDEL-fehérjét (5. ábra). Hasonló, az egyes kompartmentek között a pH-ban és ion-összetételben megmutatkozó különbségek teszik lehetővé a szállított fehérjék szelektív kötését a többi transzmembrán receptor számára is.

Az ER és a Golgi-készülék között a fehérjék rendkívül hatékony szortírozását alapvetően a kétféle típusú (COPI és COPII) burok segítségével történő szelektív válogatás, szállítás és visszajuttatás teszi lehetővé. Ezek a mechanizmusok a szekréciós út későbbi szakaszain is hasonlóképpen működnek. Az egyes kompartmentek közötti eltérő pH-t és ion-összetételt a szelektíven transzportált különböző ioncsatornák és pumpák biztosítják.