Белки мембранного транспорта являются критическими для поддержания избирательной внутренней клеточной среды. Самым большим субнабором белков мембранного транспорта является major facilitator superfamily (MFS), которое превращает электрохимические градиенты в концентрационные градиенты субстратов и транспортирует ионы, сахара,сахаро-фосфаты, лекарства, аминокислты и др. гидрофильные расстворы. У бактерий MFS белки в первую очередь ответственны за потребление питательных веществ, хотя некоторые действуют и как drug-efflux насосы и участвуют в развитии резистентности к антибиотикам.
Несмотря на важность этих белков достигнут незначительный прогресс в определении их структуры и мезанизмов. В работах в Science сообщается о первой выского разрешения рентгено-кристаллической структуре двух MFS белков из Escherichia coli: lactose permease (LacY), которая катализирует symport лактозы с H+; и glycerol-3-phosphate transporter (GlpT), который катализирует обмен glycerol-3-phosphate и inorganic phosphate. Abramson et al. сообщили о структуре LacY в комплексе с гомологом лактозы β-D-galactopyranosyl-1-thio-β-D-galactopyranoside (TDG) с разрешением 3.5 ангстрем, a Huang et al. представили структуру не участвующего в комплексе GlpT с разрелением 3.3 ангстрем.
И LacY и GlpT имеют форму, подобную 'Mayan temples', и состоят из двух сходных доменов — N- и С-терминальных доменов — каждый из которых содержит 6 трансмембранных спиралей. Центральная гидрофильная полость, которая открыта в цитоплазму, всё ещё заключенная в периплазму, также присутствует в обеих структурах, придавая общей структуре сердце-подобную топологию при нормалном взгляде на мембрану. Молекула TDG в структуре LacY связана с этой гидрофильной полостью и тем самым позиционирована в центре мембраны, почти на равном расстоянии от цитоплазмы и периплазмы — это согласуется с мнением, что MFS белки имеют единственный субстрат-связывающий сайт. В структурах высокого разрешения идентифицированы некоторые остатки, важные для связывания субстрата.
Чтобы обеспечить транспорт субстрата через мембрану д. происходить структурная конформация, в результате которой полость открывается в периплазму. Исходя из кристаллической структуры, авт. обеих работ предполагают такой механизм транспорта с помощью MFS белков, в котором protonation и связывание субстрата индуцируют несколько конформационых изменений. Предполагается, что эти конформционные измененения приводят в результате к переключению ('switching') открытой гидрофильной полости в периплазму (outward-facing)на открытие в цитоплазму (inward-facing), тем самым обеспечивается транспорт субстрата через мембрану.
Авт. идентифицировали несколько остатков в каждой из структур, важных для облегчения конформационных изменений, необходимых для перехода между outward- и inward-facing конформациями.
Мембранный транспорт: TMD recognition complex-40
Stefanovic, S. & Hegde, R. S. Identification of a targeting factor for posttranslational membrane protein insertion into the ER. Cell 128, 1147–1159 (2007)
Многие мембранные белки нацелены на биологические мембраны посредством N-терминальных сигнальных последовательностей или transmembrane domain (TMD), который распознается с помощью транслокационной кухни во время трансляции — ко-трансляционного пути. Однако, в tail-anchored (TA) мембранных белках — таких как SNARE белки и члены семейства BCL-2 — только targeting информация кодируется в единственном TMD вблизи C конца. Stefanovic and Hegde идентифицировали первый компонент комплекса, который направляет TA белки для инсерции в мембраны.
TA белки не могут использовать ко-трансляционный путь, т.к. белок высвобождается от рибосом прежде чем C-терминальный TMD появится из рибосомального туннеля. Вместо этого TA белки пост-трансляционно вставляются в мембраны с помощью плохо определенного механизма. Используя исследования по поперечным сшивкам, чтобы идентифицировать белки, которые взаимодействуют TA белками. Stefanovic и Hegde идентифицировали белок TMD recognition complex-40 (TRC40), который крепко соединяется с TMDs белков TA. TRC40 поперечно связывается с др. неидентифицированными белками, это подтвердило, что он является частью более крупного комплекса TRC40, взаимодействующего с TA белками в цитозоле прежде, но не после инсерции в мембраны. Следовательно, TRC, по-видимому, связывает свободные TA белки с целью доставки их в мембраны.
TRC40 обладает ATPase активностью и повсеместно экспрессируется во всех исследованных тканях. ATPase-дефицитный мутант TRC40 доминантно ингибируют инсерцию TA-белок, но не оказывает эффектов на не-TA белки. Чтобы исследовать основы этой избирательности авт. сконструировали варианты модельного TA белка Sec61β с крупным тэгом, добавленным или к N или C концу. Удивительно, что взаимодействие с TRC40 теряет свою избирательность для C-терминально нагруженного Sec61β , TMD которого не является больше концом белка. Следовательно, сигнал для распознавания с помощью TRC40 не является просто присутствием TMD; вместо этого TMD д. располагаться в в соответствующем контексте вблизи С конца белка, обпределяя свойства TA белков.
TRC40 соединяется с мембранами изолированными из endoplasmic reticulum (ER) , это подтверждает присутствие TRC40 рецепторов в ER. Это начинается параллельно с ко-трансляционным путем, в котором N-терминальные сигнальные последовательности связываются цитозольными signal-recognition particle (SRP), которые благодаря связыванию с ER-локализованными SRP рецепторами, поставляет субстрат к ER белковому транслокону. Однако, два пути не обладают общими компонетами и др. отличия также очевидны; напр., высвобождение TRC40 из ER мембран стимулируется с помощью АТФ, в то время как высвобождение SRP зависит от GTP.
TRC40 ранее был идентифицирован как ASNA1, a делеция Asna1 у мышей вызывает раннюю эмбриональную летальность. Однако, дрожжи, лишенные TRC40 ортолога, Get3, обнаруживают плейотропные дефекты в различных ассоциированных с мембранами процессами; их жизнеспособность говорит о избыточности путей для инсерции TA-белка у этого организма. Белки, которые взаимодействуют с Get3 как частью Get комплекса у дрожжей д. представлять др.компоненты пути инсерции TA мембранного белка. Однако, белки, которые гомологичны Get1 или Get2 у этих организмов, ещё д. быть идентифицированы.
FURTHER READING Mandon, E. C. & Gilmore, R. The tail end of membrane insertion. Cell 128, 1031–1032 (2007)