endoplazmatikus retikulumba és a membránok biogenezise (Lippai
2. A fehérjék poszt-transzlációs módosításának típusaitípusai
Tágabb értelemben minden olyan kovalens módosítást, amely egy fehérjelánccal történik, az adott fehérje poszt-transzlációs módosításának tekinthetünk. Ennek legfontosabb biológiai funkciói röviden a következők:
1. fehérjék stabilitásának (féléletidejének) meghatározása (l. sejtciklus szabályozása),
2. biokémiai aktivitás szabályozása (aktiválás/inaktiválás, l. például “Az apoptosis molekuláris mechanizmusa”
c. fejezetet)
3. a fehérjék sejten belüli helyének meghatározása (irányítás, targeting, l. “Transzport a citoszol és az organellumok között”, “A vezikuláris transzpot” és a “Szekréciós útvonal” c. fejezeteket)
4. jelek kialakítása fehérje-fehérje kölcsönhatások és kaszkád sorok szerveződése számára
(l. "Sejtek közötti kommunikáció", "Az endocitózis jelentősége" c. fejezetek). A molekuláris sejtbiológiai folyamatok szabályozása rendkívüli gyorsaságot és alkalmazkodást igényel. Ezt csak a reverzibilis kovalens módosítások tudják biztosítani, ezért szűkebb értelemben ezeket soroljuk a fehérjék poszt-transzlációs módosításainak körébe. A módosítás végleges vagy dinamikus (oda-vissza alakuló) volta alapján beszélhetünk irreverzibilis (visszafordíthatatlan) és reverzibilis (visszafordítható) PTM-ről. Az irreveribilis PTM-ek legismertebb példái a fehérjék limitált proteolízisével járó folyamatok. Ide tartozik például a zimogén proenzimek pro-doménjének lehasításával történő aktiváció (pro-kaszpázok, tripszinogén), prohormonok „érési”
folyamata (pl. pre-proinzulin -> proinzulin -> inzulin), de végső soron a lebontandó célfehérjék poliubikvitin lánccal történő megjelölése is PTM-nek tekinthető (l. „Az ubikvitiniláció” c. fejezetet).
A kovalens módosítások leginkább a polipeptid láncot alkotó aminosavakat érintik, de megtörténhetnek az N- és a C-terminálison is. Leggyakoribb típusait a 2. ábra foglalja össze.
2. ábra. A leggyakoribb kovalens módosítások, azok szerepe és előfordulása: a foszforiláció a sejtmembrán receptorok és a hozzájuk tartozó úgynevezett szignalizációs útvonalak jellemző folyamata (1); az ubikvitiniláció, ha úgynevezett poliubikvitin lánc kialakítását jelenti, akkor citoplazmatikus fehérjék lebontásában, turnoverében nélkülözhetetlen (2); a lebontás maga hidrolízis, amely a fehérjék peptid-gerincének
feldarabolását eredményezi – ezt a degradációt egy, sok alegységből álló, gyűrűszerű fehérjekomplex, az úgynevezett proteaszóma végzi (3); Az acetiláció és a metiláció mikrotubulushoz kötött proteinek (4) és a
hisztinok jellemző poszt-transzlációs módosítása (5, l. hiszton kód); a glikoziláció folyamata során kialakuló glikozilációs mintázat a fehérjék sejtbeli helyét és fél-életidejét határozza meg (6); a preniláció zsírsav oldallánccal rendelkező fehérjék lokalizációját befolyásolja. A fentiektől eltérően a sav-bázis reakciók nem
katalizált folyamatok, spontán mennek végbe
A kovalens módosításokat minden esetben az arra a funkcióra specializálódott enzimek végzik. Így például a kinázok a foszforilációt, a foszfatázok a defoszforilációt, az acetilázok és acetil-transzferázok az acetilációt, az ubikvitin-ligázok a poliubikvitinilációt és így tovább (2. ábra). A sejt élettani folyamatainak biokémiai vizsgálata során olyan molekuláris történések sorozatával találkozunk, amelyekben a résztvevő fehérjék reverzibilis kovalens módosítása nélkülözhetetlen, és elmaradásuk, leállásuk vagy éppen „túlpörgésük” komoly, sokszor fatális zavart okoz a sejt működésében.
Ennek egyik jól ismert példája a tau fehérje kovalens módosítása és működésének szabályozása foszforiláció/defoszforiláció révén. A tau az idegsejtek egyik tipikus mikrotubulus-asszociált fehérjéje, amely meghatározó szerepet játszik a mikrotubuláris rendszer stabilitásában és dinamikus átrendeződésében.
Defoszforilált állapotban a mikrotubulusokhoz kötve stabilizálja a hálózatot, míg a foszforilációját követően leválik onnan, s így lehetőség nyílik a mikrotubulusok átépülésére, a hálózat átrendeződésére. Kóros esetben azonban a tau hiperfoszforilációja lép fel, ami, azon túl, hogy meggátolja a mikrotubulushoz való kapcsolódását, megváltoztatja az eredeti konformációját is, és ezáltal fokozza a tau fehérje aggregációs hajlamát. A hiperfoszforilált (és ubikvitinált!) tau fehérjék jellegzetes, nagy intracelluláris lerakódásokat (úgynevezett neurofibrilláris, vagy Alzheimeres kötegeket: Alzheimer‟s tangles) hoznak létre a neuronokban, amelyek az Alzheimer-kórós agyszövet legbiztosabb citopatológiai diagnosztikai bélyegei (3. és 4. ábra). A hiperfoszforilált tau aggregációjának következménye a mikrotubuláris hálózat szétesése, a sejtváz rendszer összeomlása és végül az idegsejt „programozott” (kevert, autofág és apoptotikus típusú) halála (l. a „Az autofágia és funkciói” és a
„Az apoptózis molekuláris mechanizmusa” című fejezeteket).
3. ábra. Hiperfoszforilált tau immunhisztokémiai kimutatása Alzheimer-kóros beteg agyszövetéből származó metszeten. A nyíl a temporális kéreg egy neuronjának citoplazmájában kórosan felhalmozódó, úgynevezett
intracelluláris neurofibrilláris kötegre mutat
4. ábra.
A neurofibrilláris köteget tartalmazó idegsejt ultrastruktúrális részlete. A piros nyíl a hiperfoszforilált tau fehérjékből felépülő úgynevezett páros helikális filamentumokra (PHF) mutat. A neurofibrilláris köteg az idegsejt poszt-szinaptikus régiójában helyezkedik el (SV: szinaptikus vezikulák a pre-szinaptikus régióban). A PHF-eket dekoráló apró fekete pontok aranyszemcsék, amelyek az ubikvitinált tau fehérjék jelenlétét jelzik
3. Az ubikvitiniláció
Az ubiquitin-proteaszóma rendszer (UPR) az eukarióta sejtek evolúciósan egyik legkonzervetívabb funkcionális rendszere. Működése végigkíséri a sejt egyedi életének egész időszakát a „születés” pillanatától az aktív sejthalálig. Zavartalan funkciója nem csak a sejt protein homeosztázisának biztosításában, a szabályozó fehérjék gyors turnoverében és a káros/kórós fehérjék szelektív eliminációjában nélkülözhetetlen, hanem az olyan folyamatokban is, mint a transzkripció, az irányított intracelluláris transzport, a sejtciklus, vagy az apoptózis. Nem véletlen tehát, hogy az UPR molekuláris komponenseinek felfedezéséért és alapvető funkcionális leírásukért 2004-ben három kutató is Nobel-díjat kapott, köztük a karcagi születésű Avram Herschko (Herschko Ferenc).
Az ubiquitiniláció a polipeptidek poszt-transzlációs módosításának egyik leggyakrabban előforduló típusa, amely – más PTM formákkal finoman összehangolt együttműködésben – számos komplex sejtélettani mehanizmus (például a sejtciklus) szabályozásáért felelős.
A célfehérjék szempontjából végzetes, ha egy lizin aminosavjuk -helyzetű aminocsoportjához egy legalább 4 tagból álló poliubikvitin lánc kapcsolódik. Ez egyértelműen az adott fehérje proteaszómális lebontásra való megjelölését jelenti. Az ATP igényes mechanizmust egy 3 komponensű (E1, E2, E3) enzimkaszkád végzi (5.
ábra).
5. ábra. A poliubikvitiniláció a fehérjék proteaszómális degradációjához vezet: az ubikvitin molekulát első lépésben aktiválni kell (ezt az E1 enzim végzi), majd az aktivált ubikvitin E2 enzimre kerül. A megjelölendő
fehérjét az E3 enzim ismeri fel, amely az E2 által biztosított, megfelelő állapotban lévő ubikvitint a célfehérjéhez kapcsolja. Ezután ehhez az első ubikvitin molekulához még több kapcsolódik (kis kék nyilak), s
egy poliubikvitin lánc jön létre, amely a fehérjét a hidrolitikus aktivitású proteaszómához irányítja. A felszabaduló, visszanyert ubikvitin reciklizálódik
A fehérjeláncban található, Lysin oldalláncok ubikvitinilálása többféleképpen is megtörténhet.
Monoubikvitiniláció az, amikor a fehérjén csak egy Lysin jelölődik, ráadásul csak egy ubikvitinnel. Ezt az E2 enzim is képes elvégezni. A multiubikvitiniláció során a lánc több ponton monoubikvitinálódhat, a poliubikvitiniláció esetében pedig egy olyan hosszabb ubikvitin lánc jön létre, amelynek csak az első tagja kapcsolódik a fehérjéhez (6. ábra).
6. ábra. Az ubikvitiniláció típusai (magyarázatot l. a szövegben) A többféle ubikvitiniláció más és más szabályozási lehetőséget kínál (7. ábra).
7. ábra.Az ubikvitiniláció típusából és helyzetéből adódó funkcionális különbségek (K6, K29, K48, K63: az ubkvitin molekula adott számú lizinjének ubikvitinilációját jelenti.)