王圣巖

（福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117）

研究中最早發(fā)現(xiàn)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)易位方式是依靠信號(hào)識(shí)別顆粒（signal recognition particle,SRP）的共翻譯易位（co-translational translocation）。在共翻譯易位中，蛋白先在核糖體上翻譯出信號(hào)序列，通過(guò)信號(hào)序列的疏水性與細(xì)胞質(zhì)中的SRP結(jié)合，翻譯暫停。SRP牽引核糖體蛋白質(zhì)復(fù)合物向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移，并與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的SRP受體結(jié)合，核糖體結(jié)合在Sec61上，翻譯繼續(xù)，最終將蛋白質(zhì)引導(dǎo)至Sec61通道中[1-4]。在酵母中的研究發(fā)現(xiàn)，共翻譯易位方式只占了全部分泌蛋白的43.3%；還有56.7%的蛋白運(yùn)輸并不依靠SRP[5]，比如錨定蛋白和比較短的分泌蛋白則需要另一種途徑完成轉(zhuǎn)運(yùn)，即翻譯后易位（posttranslational translocation）途徑。參與翻譯后易位的蛋白其信號(hào)序列疏水性不足或長(zhǎng)度不夠，不能被細(xì)胞質(zhì)中的SRP識(shí)別，所以它們需要另一種分子伴侶引導(dǎo)蛋白定位到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。在真核生物中，分泌蛋白向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)是蛋白質(zhì)分泌初始階段的關(guān)鍵步驟，如果這個(gè)過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤，蛋白質(zhì)穩(wěn)定會(huì)被破壞甚至導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙[6]。為了更好地了解翻譯后易位，本文對(duì)翻譯后易位的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了綜述，同時(shí)也描述了Sec復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能。

1 翻譯后易位途徑

分泌蛋白質(zhì)是生物體進(jìn)行生命活動(dòng)的重要組成部分，而這些蛋白質(zhì)想要發(fā)揮功能就需要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步加工。根據(jù)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)方式的不同，轉(zhuǎn)運(yùn)方式分為共翻譯易位和翻譯后易位。這兩種方式的區(qū)別主要體現(xiàn)在蛋白質(zhì)翻譯的時(shí)機(jī)和靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)方式的不同。真核生物中細(xì)胞器被膜分隔成獨(dú)立的區(qū)域，蛋白質(zhì)前體合成后需要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工。由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的存在，從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)需要有分泌信號(hào)通路（general secreation pathway,Sec）的參與，進(jìn)而再運(yùn)輸?shù)教囟ǖ膮^(qū)域發(fā)揮功能，這就需要蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中精準(zhǔn)靶向[6]。翻譯后易位途徑可分為三個(gè)步驟：第一步是多肽鏈在細(xì)胞質(zhì)中通過(guò)核糖體完成合成，然后細(xì)胞質(zhì)中的分子伴侶結(jié)合到多肽鏈上將其引導(dǎo)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上；第二步是多肽鏈N短的信號(hào)序列進(jìn)入Sec通道，在其它Sec蛋白的幫助下通道擴(kuò)大，信號(hào)序列在通道內(nèi)切割并從通道側(cè)面釋放；第三步是通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)部的分子伴侶將多肽鏈拉入到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)里面進(jìn)行加工折疊[7]（圖1）。

圖1 翻譯后易位途徑

2 翻譯后易位復(fù)合物組成和結(jié)構(gòu)

翻譯后易位機(jī)制復(fù)雜，需要內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上多種復(fù)合物及細(xì)胞質(zhì)中和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)分子伴侶的參與。在翻譯后易位過(guò)程中，分泌蛋白依然是通過(guò)Sec61通道進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，但額外需要Sec62-Sec63復(fù)合物的輔助。酵母內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上Sec復(fù)合物組成如圖1所示，這些復(fù)合物相互作用，共同完成翻譯后易位過(guò)程。翻譯后易位復(fù)合物在酵母、人和小鼠中名稱有所差別（表1）。

表1 參與翻譯后易位的Sec復(fù)合物

Sec61 復(fù)合物是蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制中的關(guān)鍵元件，形成一個(gè)內(nèi)部疏水的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)通道[8]。Sec61轉(zhuǎn)運(yùn)通道由三個(gè)亞基構(gòu)成，分別是Sec61p、Sss1和Sbh1。Sec61p是最主要的亞基，也是最大的亞基，它包含十個(gè)跨膜螺旋（transmembrane helices,TM），呈沙漏狀，多肽就是通過(guò)這個(gè)通道轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)[9]。Sec61p有兩個(gè)較大的環(huán)L6和L8，它們位于細(xì)胞質(zhì)面，是在共翻譯易位期間核糖體的結(jié)合位點(diǎn)。Sss1和Sbh1體積較小，附著在Sec61p周?chē)⑴c之產(chǎn)生聯(lián)系。在閑置狀態(tài)下，轉(zhuǎn)運(yùn)通道被一個(gè)閥塞結(jié)構(gòu)域堵住，這個(gè)結(jié)構(gòu)域由第一個(gè)跨膜螺旋（TM1）之后的片段形成，在蛋白質(zhì)開(kāi)始易位時(shí)這個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)移開(kāi)，從而使通道打開(kāi)[10-12]。這個(gè)通道還包含一個(gè)側(cè)門(mén)（lateral gate），由TM2和TM7構(gòu)成，可以將多肽釋放到脂質(zhì)相中，并且信號(hào)序列被切割之后將從此處被釋放[9]，側(cè)門(mén)的打開(kāi)是可溶性分泌蛋白疏水性信號(hào)序列的識(shí)別和跨膜蛋白整合所必需的。Sec61p開(kāi)放與關(guān)閉狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)已被解析，具體結(jié)構(gòu)特征可參考Voorhees等人的研究工作[10]。

Sec62 由一個(gè)球狀的N末端、C末端和兩個(gè)跨膜螺旋（TM1、TM2）組成，N末端和C末端均位于細(xì)胞質(zhì)中，兩個(gè)跨膜螺旋被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)一個(gè)短的環(huán)連接，Sec62整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“V”字型[9]。Sec62與Sec61p主要是以Sec62-TM1和Sec61p-TM3、N末端接觸。在Sec62-TM2之后存在一個(gè)平躺在膜上的橢圓形結(jié)構(gòu)域，稱為錨定區(qū)域。這個(gè)區(qū)域富含疏水性，在釀酒酵母中對(duì)其中疏水性殘基進(jìn)行單點(diǎn)突變不會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)缺陷，但在215-220位中進(jìn)行三個(gè)連續(xù)的突變就會(huì)致死，說(shuō)明疏水性的降低會(huì)終止其與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的相互作用，這個(gè)錨定區(qū)域的功能是將Sec62正確定位在Sec61上[9]。

Sec63 由三個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，在細(xì)胞質(zhì)面有一個(gè)FN3結(jié)構(gòu)域并且在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)含有一個(gè)J結(jié)構(gòu)域[13]。與Sec63緊密相關(guān)的Sec71（也被稱為Sec66、Hss1）和Sec72（也被稱為Sec67、Sim2）最初是從調(diào)節(jié)膜蛋白轉(zhuǎn)位缺陷的酵母遺傳機(jī)制中篩選出來(lái)的[14]。Sec71是一種單跨膜蛋白，含有三個(gè)α螺旋其中兩個(gè)在N末端構(gòu)成Sec71的底部，C末端帶有一個(gè)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域。Sec72是一種外周膜蛋白，由一個(gè)帶有TPR（tetratricopeptide repeat）結(jié)構(gòu)域的C末端和一個(gè)于Sec71相互作用的N末端結(jié)構(gòu)與構(gòu)成[15-17]。這兩個(gè)亞基通常以Sec71-Sec72復(fù)合體出現(xiàn)， Sec71整合到Sec復(fù)合物上需要Sec72的存在，而Sec71又對(duì)Sec72在體內(nèi)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[15]。Sec71-Sec72復(fù)合體僅由各自的一條肽鏈進(jìn)行連接，在Sec71中只需要胞質(zhì)端的結(jié)構(gòu)域就可滿足連接的需要[17]。此外，TPR結(jié)構(gòu)域會(huì)與細(xì)胞質(zhì)中的分子伴侶Ssa1和Ssb1相互作用，分別將翻譯后易位蛋白和共翻譯易位蛋白募集到Sec71-Sec72復(fù)合物上[17]。

3 翻譯后易位的調(diào)控機(jī)制

參與翻譯后易位的蛋白主要是錨定蛋白和分泌蛋白。錨定蛋白帶有一個(gè)疏水性的跨膜區(qū)，跨膜區(qū)會(huì)引導(dǎo)蛋白向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位[18]。最早被發(fā)現(xiàn)的與錨定蛋白翻譯后易位相關(guān)的細(xì)胞質(zhì)因子是信號(hào)識(shí)別顆粒，所以有可能存在一種與共翻譯途徑相關(guān)的翻譯后SRP依賴性轉(zhuǎn)位途徑[6]。分泌蛋白，例如酵母中的PpαF能夠有效的證明翻譯后易位的存在[19,20]。分泌蛋白的信號(hào)序列沒(méi)有足夠的疏水性來(lái)與SRP進(jìn)行有效的結(jié)合[21]，所以在轉(zhuǎn)位的過(guò)程中需要細(xì)胞質(zhì)中的分子伴侶來(lái)促進(jìn)蛋白的易位，例如酵母中的Hsp (heat shock protein)70、Hsp40等。Hsp70并不是單獨(dú)發(fā)揮功能，而是需要各種輔助因子，例如J-蛋白（Hsp40），J-蛋白會(huì)與未折疊的蛋白進(jìn)行初步結(jié)合并將其傳遞到Hsp70[22]，進(jìn)而防止蛋白折疊和聚集。Hsp70中有一個(gè)Ssa1蛋白與翻譯后易位相關(guān)，其可以通過(guò)C末端與Sec72的TRP結(jié)構(gòu)域相互作用[17]，翻譯后易位蛋白便可以通過(guò)Ssa1到達(dá)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。

在翻譯后易位的初始階段，多肽N端進(jìn)入Sec61復(fù)合物的易位通道，N端的信號(hào)序列必須與信號(hào)肽酶結(jié)合被切割分離，但翻譯后易位信號(hào)序列被切割的時(shí)機(jī)仍不清楚。Sec62有時(shí)會(huì)在信號(hào)序列切割的環(huán)節(jié)中造成一些影響，比如它會(huì)阻止信號(hào)序列從易位通道側(cè)門(mén)的釋放或者阻止信號(hào)肽酶對(duì)與切割位點(diǎn)的結(jié)合，正常情況下Sec62-TM2與Sec61-TM7會(huì)改變?cè)瓉?lái)的構(gòu)象，兩者之間產(chǎn)生空隙從而釋放被切割的信號(hào)序列[9]。同時(shí)，Sec62可以形成一道屏障來(lái)防止脂質(zhì)通過(guò)打開(kāi)的通道側(cè)門(mén)滲透到易位通道的內(nèi)部，脂質(zhì)的滲透可能會(huì)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性抑制多肽進(jìn)入通道從而影響蛋白質(zhì)易位[9]。近二十年的一些研究中發(fā)現(xiàn)了Sec62在翻譯后易位中的作用，但Sec62在蛋白質(zhì)易位過(guò)程中的詳細(xì)功能仍然是不能完全確定的，Lakkaraju等人發(fā)現(xiàn)由不多于100個(gè)氨基酸組成和部分由120-160個(gè)氨基酸組成的翻譯后易位蛋白的前體會(huì)依賴Sec62進(jìn)行有效轉(zhuǎn)運(yùn)[23]。在Lang等人的一項(xiàng)研究中，Sec62的沉默會(huì)導(dǎo)致小的分泌蛋白通過(guò)翻譯后易位進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的效率降低，但不會(huì)影響共翻譯易位和錨定蛋白翻譯后易位膜插入的能力[24]。

多肽鏈的進(jìn)入Sec61通道后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的分子伴侶，如BiP，可以起到引導(dǎo)作用，保證新生蛋白質(zhì)通過(guò)易位通道單向運(yùn)輸?shù)絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中。為了促進(jìn)這些分子伴侶與轉(zhuǎn)運(yùn)中的多肽鏈之間的相互作用，Sec63的J結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)了它們之間的相互作用。有研究證明，Sec63與BiP的相互作用在某些易位蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)脑缙陔A段可以有效促進(jìn)其進(jìn)入Sec61通道[25,26]，但并不適用于全部蛋白，所以Sec63在轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制中的特異性還有待研究[14]。

無(wú)論是在體內(nèi)還是體外，Sec62和Sec63的突變對(duì)不依賴于SRP的翻譯后易位蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)有影響，而對(duì)依賴SRP轉(zhuǎn)運(yùn)的共翻譯易位并無(wú)影響，說(shuō)明了蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)方式是由信號(hào)序列影響的[13]。在翻譯后易位中，Sec62-Sec63復(fù)合物與Sec61復(fù)合物的相互作用會(huì)使得通道側(cè)門(mén)的開(kāi)口更大[27,28]，而共翻譯易位中核糖體打開(kāi)的側(cè)門(mén)開(kāi)口會(huì)小的多[28,29]。Sec63位于Sec61通道側(cè)門(mén)的對(duì)面，與通道側(cè)門(mén)的開(kāi)放程度有關(guān)，Sec63敲除之后側(cè)門(mén)開(kāi)口會(huì)縮小，雖然Sbh1也處于側(cè)門(mén)附近，但它對(duì)開(kāi)口的影響不大[13]。Sec63不僅能打開(kāi)側(cè)門(mén)還可以激活Sec61通道進(jìn)行易位，最近的一項(xiàng)研究也為真核生物中Sec62和Sec63如何激活Sec61通道進(jìn)行翻譯后蛋白質(zhì)易位提供了一個(gè)比較詳細(xì)的研究模型[9]。Sec63通過(guò)兩個(gè)部分與Sec61接觸：一個(gè)是通過(guò)Sec61-TM3固定在Sec61復(fù)合物上；另一個(gè)是通過(guò)TM3附近在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的短片段和Sec63N末端與Sec61通道相互作用[9]。Sec63是通過(guò)細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中結(jié)構(gòu)域的雙重作用下打開(kāi)Sec61側(cè)門(mén)的。Sec62可以激活Sec61通道，但其與處于關(guān)閉狀態(tài)下的側(cè)門(mén)的結(jié)構(gòu)是不兼容的，所以在Sec62激活蛋白質(zhì)易位通道之前必須先由Sec63將側(cè)門(mén)打開(kāi)[9]。

Sec72 與細(xì)胞質(zhì)中的分子伴侶 Ssa1、Ssb1在蛋白質(zhì)易位中發(fā)生作用，無(wú)論共翻譯易位蛋白還是翻譯后易位蛋白都會(huì)被募集到Sec71-Sec72復(fù)合體上，這改變了之前認(rèn)為只有共翻譯易位才存在靶向過(guò)程的認(rèn)知，說(shuō)明了熱休克蛋白分子不僅僅是讓多肽保持未折疊狀態(tài)，且能夠?qū)Ψg后易位蛋白進(jìn)行靶向[30,31]。在翻譯后易位中由Hsp70與免疫球蛋白BiP（酵母中稱為Kar2）提供多肽鏈的易位動(dòng)力，BiP被認(rèn)為是通過(guò)與肽鏈的結(jié)合來(lái)催化蛋白質(zhì)通過(guò)Sec61通道，并且能夠防止多肽鏈反向移動(dòng)到細(xì)胞質(zhì)中[32]。

4 未來(lái)與展望

在對(duì)翻譯后易位的研究中揭示了蛋白質(zhì)向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)易位的復(fù)雜過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要細(xì)胞質(zhì)因子、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)分子伴侶的共同作用。對(duì)翻譯后易位的研究具有重大意義，尤其是在外源蛋白表達(dá)系統(tǒng)中，隨著翻譯后易位途徑的調(diào)控機(jī)制被揭示，外源蛋白表達(dá)系統(tǒng)對(duì)分泌蛋白的表達(dá)量或許可以高出原來(lái)的幾倍，這無(wú)疑是外源蛋白表達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)巨大潛力。但目前對(duì)翻譯后易位的分子機(jī)理的研究還不夠全面，在蛋白質(zhì)易位的過(guò)程中或許還涉及其他尚未發(fā)現(xiàn)的成分。Sec復(fù)合物對(duì)生命體是不可或缺的，但其每一步構(gòu)象變化的時(shí)機(jī)和識(shí)別機(jī)制還有待充分探索。