Undersøgelse identificerer ny topogenese-vej til foldning og samling af multi-spændende membranproteiner

Forskere ledet af prof. Zhang Zairong fra Shanghai Institute of Organic Chemistry ved det kinesiske videnskabsakademi har identificeret en post-translationel topogenese-vej til foldning og samling af multi-spændende membranproteiner (MSP'er).

Ud af de omkring 5.000 membranproteiner, der syntetiseres ved den endoplasmatiske reticulum (ER) membran af menneskelige celler, er mere end halvdelen MSP'er, der spiller kritiske roller i cellulær og organismefysiologi, og fungerer som ionkanaler, transportører, receptorer og intramembrane enzymer.

En betydelig del af disse funktioner er afhængige af polære og ladede aminosyrer, hvilket fører til dannelsen af ​​dårligt hydrofobe TMD'er (pTMD'er). Imidlertid står pTMD'er over for udfordringer med at blive genkendt og integreret i phospholipid-dobbeltlaget af Sec61-translokonet, som foretrækker hydrofobe TMD'er.

I det humane proteom indeholder ca. 30 % af membranproteiner og mere end 50 % af MSP'er mindst én pTMD. Hvordan disse pTMD'er effektivt identificeres og pakkes præcist ind i modne MSP-strukturer har været et stort videnskabeligt spørgsmål.

Ved at bruge den seks-spændende protein adenosin triphosphat-bindende kassettetransporter G2 (ABCG2) som en model, fandt forskerne, at under co-translationel translokation passerer ABCG2's pTMD2 gennem den centrale pore af translokonet ind i ER-lumenet i stedet for at blive integreret i fosfolipid-dobbeltlaget gennem translokonets laterale gate.

Dette resulterer i indsættelse af nedstrøms TMD'er i ER-membranen med omvendt orientering, hvorved der dannes et unikt mellemprodukt. Efter translationen af ​​de C-terminale positivt ladede tvillingelysinrester sker der en næsten global topologisk omlejringsproces.

Affinitetsoprensning viste, at ATP13A1 kan detektere det C-terminale positive ladningssignal af ABCG2. Udskiftning af lysinrester med negativt ladede eller neutrale aminosyrer dæmper interaktionerne mellem ATP13A1 og ABCG2 mutanter signifikant.

Desuden resulterede knockout af ATP13A1 i den tilsyneladende akkumulering af fejlfoldede ABCG2-konformationer, primært dem med forkert orienteret TMD6 i ER-membranen. Således spiller ATP13A1 en afgørende rolle i topogenesen af ​​MSP'er, hvor dens ATPase-aktivitet fremmer dislokationen af ​​det misorienterede TMD6 fra lipid-dobbeltlaget ind i cytosolen.

Efterfølgende genintegreres den cytosoliske TMD6 i ER-membranen, hvorved den post-translationelle topologiske omlejring af andre opstrøms TMD'er drives.

Efter vellykket omarrangering af TMD'er 4-6 kan mellemproduktet oligomerisere til en kvaternær struktur. Denne proces vil sandsynligvis lette integrationen af ​​pTMD2 i den endelige struktur fra det vandige ER-lumen og ind i den modne struktur, som er tæt pakket ind af omgivende TMD'er.

Sammenfattende er undersøgelsen, nu offentliggjort i Molecular Cell , forklarer, hvordan en "vanskelig" pTMD co-translationelt springes over til indsættelse og post-translationelt begraves i den endelige korrekte struktur på det sene foldningsstadium, hvorved man undgår overdreven lipideksponering.

Navnlig på grund af eksponeringen af ​​pTMD2 til ER-lumen under ABCG2-topogenesen, kan N441-glykosyleringsmodifikationen forårsaget af ABCG2-S441N-genmutationen signifikant blokere pTMD-samling på det sene stadium af topogenese. Da ABCG2 er en urinsyretransportør, forklarer denne undersøgelse, hvordan denne mutation er tæt forbundet med menneskelige sygdomme såsom gigt og hyperurikæmi.

Flere oplysninger: Jia Ji et al, En ATP13A1-assisteret topogenesevej til foldning af multi-spændende membranproteiner, Molecular Cell (2024). DOI:10.1016/j.molcel.2024.04.010

Journaloplysninger: Molekylær celle

Leveret af Chinese Academy of Sciences