方雪靜 俞如旺

（福建師范大學生命科學學院 福建福州 350117）

核基因編碼的蛋白質在胞質中游離的核糖體起始合成后，需要分選與轉運到特定的功能位點，也稱蛋白質尋靶（protein targeting）。其分選途徑大致可分為2 條：①后翻譯轉運途徑：蛋白質在胞質中完成翻譯后才進行轉運，線粒體、葉綠體及過氧化物酶體中的蛋白質多采用該途徑進入細胞器；②共翻譯轉運途徑：蛋白質先在游離的核糖體中合成一小段后，在信號肽的指導下邊合成邊轉運到粗面內(nèi)質網(wǎng)，經(jīng)過加工最終分選到溶酶體、液泡等細胞結構，有的分泌至胞外。

人教版普通高中生物學必修1（2019 版）進一步明確了分泌蛋白的起始合成是在游離的核糖體上，通過共翻譯轉運途徑分泌到細胞外，糾正了舊教材中的“最初是在內(nèi)質網(wǎng)上的核糖體中由氨基酸合成肽鏈”。本文將詳細闡述該途徑。

1 共翻譯轉運機制的探究史

20世紀60年代，喬治·帕拉德（George Palade）發(fā)現(xiàn)細胞質中的游離核糖體產(chǎn)生非分泌蛋白，而附著在內(nèi)質網(wǎng)上的核糖體則產(chǎn)生分泌蛋白。Palade 的學生岡特·布洛貝爾（Gūnter Blobel）認為產(chǎn)生該差異的原因不在于核糖體，而在于蛋白質自身［1］。他從分泌蛋白轉入內(nèi)質網(wǎng)的過程入手，對蛋白質的轉運展開研究，并抓住了2 條線索：①成熟蛋白質的氨基酸序列總比初生蛋白質更短一些；②蛋白質的翻譯和轉入內(nèi)質網(wǎng)的過程似乎是同步進行的。

1975年，Blobel 和戴維·薩巴蒂尼（David Sabatini）提出“信號假說”，認為分泌蛋白的內(nèi)質網(wǎng)靶向性是由蛋白質N 端上的一個信號序列確定的。該信號序列被結合因子識別后，將指導部分合成的蛋白質及其核糖體到達內(nèi)質網(wǎng)，后續(xù)的蛋白質合成將在內(nèi)質網(wǎng)進行。受到Palade 研究的啟發(fā)，Blobel 等設計了一種蛋白質的體外翻譯—轉運系統(tǒng)。該系統(tǒng)高度保守：編碼分泌蛋白的人的mRNA、兔的核糖體、狗的內(nèi)質網(wǎng)和酵母細胞膜的混合物可合成人蛋白，為信號假說提供了實驗證據(jù)［2］。

1980年，Blobel 和Walter 發(fā)現(xiàn)了與信號序列相互作用的胞質核糖核蛋白顆粒，即信號識別顆粒（稱為“SRP”），并證實其能介導新生肽—核糖體復合物與粗面內(nèi)質網(wǎng)結合。隨后近20年的時間，生物學家又相繼發(fā)現(xiàn)了參與核糖體靶向內(nèi)質網(wǎng)膜中特定的SRP 受體、通過共翻譯去除信號肽的信號肽酶，以及內(nèi)質網(wǎng)膜上的轉運通道蛋白，使“信號假說”逐漸系統(tǒng)化［3］。Blobel 由此獲得了1999年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

2 指導共翻譯轉運的決定因素

共翻譯轉運過程是細胞內(nèi)各種物質協(xié)調配合完成的，其中信號肽、信號識別顆粒及其受體、移位子是指導共翻譯轉運過程的主要決定因素。

2.1 信號肽（SP） 信號肽是攜帶初生蛋白質分選與轉運信息的一段氨基酸序列，一般位于新生肽的N 端。其長度大概為15～30 個氨基酸殘基，一級結構可分為3 個區(qū)域：信號肽的N 端、信號肽的C 端、中部的疏水核心區(qū)。信號肽的N 端是帶正電荷的強極性區(qū)，其長度的差異是導致不同信號肽長度差異的主要原因。信號肽中部的疏水區(qū)由14～20 個中性氨基酸構成，可形成α 螺旋，是信號肽的主要功能區(qū)。研究表明，一旦疏水區(qū)的某個氨基酸被置換，該信號肽則失去了蛋白質的定位功能。信號肽的C 端是帶負電荷的極性區(qū)，通常含有脯氨酸、甘氨酸，不易形成螺旋結構。此外，C 端某些不帶電的小分子氨基酸決定了信號肽酶的作用位點［4］。

信號肽在不同的環(huán)境中有不同的構象，在水溶液中主要以β 折疊的形式存在，在脂質中則有形成α 螺旋的趨勢，這對于信號肽與生物膜的相互作用有重要意義。近年來，對于信號肽的認識早已打破了Blobel 的“信號假說”中的內(nèi)容——信號肽不一定位于初生蛋白質的N 端，也可能位于其中部或C 端。在完成蛋白質的轉運后，信號肽也不一定被切除。此外，信號肽不僅與蛋白質的分選轉運密切相關，一些初生蛋白質殘基的化學修飾、蛋白質的降解也與信號肽緊密聯(lián)系。

2.2 信號識別顆粒（SRP）及其受體（SR） 信號識別顆粒是一種核糖核蛋白顆粒，具有普遍的保守性。真核生物的SRP 由一個7S RNA 和6 種蛋白質組成［1］。SRP RNA 約有300 個核苷酸，能折疊成一定形態(tài)，構成6 種蛋白質的組裝平臺。這6 種蛋白質按分子質量命名為：SRP9／14、SRP19、SRP54、SRP68／72，其中SRP54 是一種GTP 酶。整個SRP可分為2 個結構域：S 結構域和Alu 結構域。S 結構域 由RNA 的中間部分、SRP68／72、SRP19、SRP54組成，主要功能是識別并結合信號肽，其中發(fā)揮結合功能的是SRP54；Alu 結構域由RNA 末端和SRP9／14 組成，其功能是在SRP 與信號肽結合后，阻斷新生肽鏈的翻譯［5］。

信號識別顆粒受體位于內(nèi)質網(wǎng)膜上，可與信號識別顆粒特異性結合。哺乳動物的SR 由SRα 和SRβ2 種蛋白質組成，2 種都是GTP 酶。SRα 和SRP54 的部分結構域是同源物，在共翻譯轉運過程中可與SRP54 相互作用。SRβ 的跨膜結構域對SR功能是不可或缺的，在人的SR 中，處于GTP 結合狀態(tài)的SRβ 協(xié)調信號肽從SPR54 釋放，從而進入移位子通道。SRα 可在GTP 水解后與SRβ 分離［6］。

2.3 移位子（translocon） 移位子存在于內(nèi)質網(wǎng)膜上，是核糖體與內(nèi)質網(wǎng)膜相互作用的位點。普遍保守的蛋白質轉運通道Sec61 復合體是移位子的功能核心。Sec61 復合體是一個異源三聚體復合物，由中央Sec61α 亞基和2 個較小的外周亞基Sec61β 和Sec61γ 組成。在原核生物中，該復合體稱為SecY 復合體［7］。Sec61α 是最大的亞基，跨膜10 次。Sec61β 和Sec61γ 是單次跨膜蛋白，屬于尾錨定蛋白家族。Sec61 復合體主要參與移位位點的三大功能，即它能形成一個蛋白質轉運通道、識別功能信號序列、作為主要的核糖體受體［8］。

3 共翻譯轉運過程

將新生鏈運輸?shù)絻?nèi)質網(wǎng)，必需先找到正確的位置，即目標反應；其次，必需通過入口處的門，即移位反應［9］。其中，有些蛋白質進入內(nèi)質網(wǎng)腔成為內(nèi)質網(wǎng)中的駐留蛋白，或進一步加工再靶向其他細胞結構，有些蛋白質直接定位于內(nèi)質網(wǎng)膜上成為膜整合蛋白。

3.1 進入內(nèi)質網(wǎng)腔的蛋白 當信號肽從核糖體通道出口暴露時，SRP54 與信號肽的疏水核心結合，形成核糖體-新生鏈-SRP 復合物（RNC·SRP 復合物）。此時，SRP9／14 蛋白復合體阻斷新生鏈的繼續(xù)翻譯。接著，RNC·SRP 復合物開始靶向內(nèi)質網(wǎng)，在GTP調控的過程中與內(nèi)質網(wǎng)膜上的受體SR 相互作用，至此完成目標反應。值得注意的是，GTP 與SRP和SR 的結合進一步強化了整個復合物與SR 的結合，但此過程僅是結合GTP，并不消耗GTP［1］。

在SRP 和SR 的相互作用下，核糖體和新生鏈都被轉移到內(nèi)質網(wǎng)膜上的Sec61 復合體上，此時翻譯又重新啟動。信號肽不僅有助于內(nèi)質網(wǎng)靶向，還有助于Sec61 通道的完全開放。同時，Sec61復合體也結合正在翻譯的核糖體，形成一個處于完全開放狀態(tài)的水性多肽轉運通道，新生鏈開始通過轉運通道進入內(nèi)質網(wǎng)腔［9］。位于內(nèi)質網(wǎng)腔面的信號肽酶切去信號肽，蛋白質進行折疊加工。在GTP 水解供能的作用下，SRP 和SR 也解離并恢復到原來的狀態(tài)準備下一輪反應（圖1）。

圖1 新生鏈進入內(nèi)質網(wǎng)腔過程示意圖

3.2 內(nèi)質網(wǎng)膜整合蛋白 大多數(shù)內(nèi)質網(wǎng)膜蛋白也是由Sec61 復合體整合到脂雙層中。信號序列指導新生鏈開始向內(nèi)質網(wǎng)轉移，可看作開始轉移序列；在新生鏈的內(nèi)部，可能存在與內(nèi)質網(wǎng)膜脂雙層具有高度親和力的片段，稱為內(nèi)在停止轉移錨定序列（STA）和內(nèi)在信號錨定序列（SA）。具有該類序列的肽鏈將停止轉運，不再進入內(nèi)質網(wǎng)腔中，最終形成膜整合蛋白。含有多個開始轉移序列和停止轉移錨定序列的肽鏈將成為多次跨膜的膜整合蛋白［1］。

內(nèi)質網(wǎng)的膜整合蛋白根據(jù)拓撲學特征大致可分為4 型，其不同點在于有、無可切割的N 端信號序列、定位方向和跨膜次數(shù)。Ⅰ型（例如，胰島素受體、生長素受體等）、Ⅱ型（例如，高爾基半乳糖苷轉移酶等）和Ⅲ型（例如，細胞色素P450）為單次跨膜蛋白，決定其拓撲學特征的是肽鏈內(nèi)在的停止轉移錨定序列和信號錨定序列；Ⅳ型（例如，G 蛋白偶聯(lián)受體、葡萄糖轉運蛋白等）為多次跨膜蛋白。新生肽鏈的跨膜取向也具有一定的規(guī)律性，根據(jù)“正內(nèi)”規(guī)則，帶正電的側翼序列通常位于膜的細胞質側。有證據(jù)表明，整合并不完全是序列自主的，還取決于序列的上、下段，從間隔非常近的跨膜片段到相鄰序列的折疊狀態(tài)和性質。膜蛋白的拓撲發(fā)生甚至受到輔助蛋白的影響，這些輔助蛋白可能是膜內(nèi)的分子伴侶［10］。

4 靶向其他細胞結構的膜泡運輸

在內(nèi)質網(wǎng)加工后的蛋白質需要通過轉運膜泡運輸?shù)礁郀柣w進一步加工，最后靶向溶酶體、液泡等細胞結構。轉運膜泡根據(jù)其包被蛋白的不同，可分為COPⅡ包被膜泡、COPⅠ包被膜泡、網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡3 種類型，其中COPⅡ包被膜泡主要負責從內(nèi)質網(wǎng)到高爾基體的物質運輸。

4.1 膜泡的裝配 以COPⅡ包被膜泡為例，簡要闡述膜泡的裝配過程。COPⅡ包被組分主要是Sec23/Sec24 和Sec13／Sec31 復合物、Sec16、小分子GTP 結合蛋白Sar1，其在內(nèi)質網(wǎng)膜上的組裝是逐步進行的。首先，Sec12（鳥苷酸交換因子）促進GTP 結合以募集Sar1，形成Sar1-GTP。Sar1 是一種GTP 酶，在GTP 結合狀態(tài)下，Sar1 暴露了一個N 端疏水性的α 螺旋插入內(nèi)質網(wǎng)膜。隨后，異二聚體Sec23／24 被募集。Sec24 是與目標蛋白結合的主要適配器，一旦進入內(nèi)質網(wǎng)，就與目標蛋白結合，進而將其轉運到高爾基體。之后，Sec13／31 的異二聚體通過Sec23 和Sec31 之間的相互作用被募集。Sec13／31 在初生的囊泡上形成一層籠狀的外被膜，推動膜的彎曲。最后，Sec16 結合到內(nèi)質網(wǎng)膜的胞質表面，進一步加快被膜蛋白的裝配。在Sar1 的作用下GTP 水解形成Sar1-GDP，并從膜泡釋放使包被解聚［11］（圖2）。

圖2 COPⅡ包被膜泡的形成過程

4.2 膜泡與靶膜的錨定和融合 膜泡與靶膜的錨定需要Rab 蛋白的參與。Rab 蛋白可視為一種分子開關，當它與GTP 結合形成Rab-GTP 時，其構象發(fā)生改變從而結合到膜泡上。結合了Rab-GTP 的膜泡與靶膜上的Rab 效應器相互作用，這樣膜泡即錨定在靶膜上。膜融合主要是SNARE 蛋白的相互作用。膜泡上的v-SNARE 蛋白，能與靶膜上的t-SNARE 蛋白進行配對，這種配對具有特異性。融合過程類似“拉鏈”，從配對形成的SNARE復合物的N 端到C 端形成一股拉力將雙層膜拉在一起，完成膜的融合［12］。