真核生物蛋白質(zhì)的定向運(yùn)輸又稱定向轉(zhuǎn)運(yùn)、靶向輸送（targeting）、分選（sorting），是指新合成的蛋白質(zhì)從合成場(chǎng)所定向運(yùn)輸?shù)?span id="s0sssss00s" class="color-blue-03">功能場(chǎng)所的過程。

真核細(xì)胞中合成的蛋白質(zhì)可分為三類，其中兩類涉及定向運(yùn)輸：

①游離核糖體合成的細(xì)胞質(zhì)蛋白和線粒體、葉綠體核糖體合成的蛋白質(zhì)，不涉及定向運(yùn)輸。

②游離核糖體合成的細(xì)胞核蛋白、線粒體蛋白、過氧化物酶體蛋白及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核糖體合成的溶酶體蛋白、膜整合蛋白，經(jīng)歷細(xì)胞內(nèi)定向運(yùn)輸。

③內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核糖體合成的分泌蛋白（secretory protein），經(jīng)歷定向運(yùn)輸和分泌。

例如，酵母有6000多種蛋白質(zhì)（包括5000種可溶性蛋白質(zhì)、1000種膜蛋白），其中有1/2為細(xì)胞質(zhì)蛋白，1/4為細(xì)胞核蛋白，1/4為線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體蛋白。

蛋白質(zhì)的定向運(yùn)輸可分為兩個(gè)階段：

①蛋白質(zhì)向相關(guān)區(qū)室運(yùn)輸，通常在蛋白質(zhì)合成過程中或合成結(jié)束時(shí)進(jìn)行。不同的蛋白質(zhì)在這一階段分別進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體或細(xì)胞核等。

②運(yùn)輸?shù)絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)進(jìn)一步進(jìn)入分泌途徑。高爾基體蛋白、溶酶體蛋白和細(xì)胞膜蛋白都以運(yùn)輸小泡形式通過分泌途徑運(yùn)輸。

一、進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔

分泌蛋白的合成是在游離核糖體上開始的，后由信號(hào)肽引導(dǎo)核糖體錨定于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜胞質(zhì)面并繼續(xù)合成，且新生肽直接進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，即合成與運(yùn)輸同時(shí)進(jìn)行，該過程稱為共翻譯運(yùn)輸（cotranslational translocation），例如胰腺細(xì)胞分泌的酶、漿細(xì)胞分泌的抗體、小腸杯細(xì)胞分泌的黏蛋白、內(nèi)分泌腺分泌的多肽類激素、各組織細(xì)胞分泌的細(xì)胞外基質(zhì)成分。游離核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)核糖體是一樣的，新生肽進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔由四種其他成分決定。

1.信號(hào)肽（signalpeptide） 經(jīng)歷定向運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)的特點(diǎn)是都含有信號(hào)肽（又稱信號(hào)序列。Blobel因于1971年提出闡明蛋白質(zhì)運(yùn)輸和定位的信號(hào)學(xué)說而獲得1999年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）。溶酶體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白前體的信號(hào)肽通常位于肽鏈的N端，功能是引導(dǎo)這些蛋白前體向相應(yīng)場(chǎng)所運(yùn)輸，之后被切除。細(xì)胞核蛋白的信號(hào)肽位于肽鏈的內(nèi)部，功能是引導(dǎo)其運(yùn)輸入核，之后不被切除。

信號(hào)肽（signalpeptide）、信號(hào)序列（signalsequence） 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中決定其去向或歸宿的一段氨基酸序列。

前導(dǎo)肽（leaderpeptide）?

①同信號(hào)肽。

②原核生物操縱子前導(dǎo)序列編碼產(chǎn)物，參與基因表達(dá)調(diào)控。

轉(zhuǎn)運(yùn)肽（transitpeptide） 由染色體基因編碼的細(xì)胞器（線粒體、過氧化物酶體、頂置體、葉綠體、藍(lán)色小體等）蛋白的信號(hào)肽。

前肽（propeptide） 在翻譯后修飾時(shí)被切除的氨基酸序列，如胰島素C肽。部分中文文獻(xiàn)也譯作前導(dǎo)肽。

控制共翻譯運(yùn)輸?shù)男盘?hào)肽長(zhǎng)13～36AA，位于（或靠近）新生肽N端，有以下特征：

①有的信號(hào)肽N端有1～2個(gè)帶正電荷的堿性氨基酸。

②中間有10～15個(gè)疏水性氨基酸。

③C端為蛋白酶剪切位點(diǎn)，含極性氨基酸，靠近剪切位點(diǎn)處為小分子量氨基酸。分泌蛋白信號(hào)肽的功能是引導(dǎo)新生肽進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，之后被切除，所以成熟的分泌蛋白沒有信號(hào)肽（圖4-17）。

雞卵清蛋白例外，其mRNA翻譯成的新生肽386AA，信號(hào)肽是His22～Asp48，不在N端，最后也未被切除。卵清蛋白的另一個(gè)特點(diǎn)是其Ser165、237、321會(huì)緩慢改變L-構(gòu)型為D-構(gòu)型，并賦予其熱穩(wěn)定性。

2.信號(hào)識(shí)別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP） 是控制共翻譯運(yùn)輸的信號(hào)肽受體蛋白。信號(hào)識(shí)別顆粒可與信號(hào)肽結(jié)合，從而與含該信號(hào)肽的新生肽結(jié)合。新生肽一旦與信號(hào)識(shí)別顆粒結(jié)合，便向運(yùn)輸通道（channel）移動(dòng)，穿過運(yùn)輸通道進(jìn)入細(xì)胞器。許多新生肽的運(yùn)輸過程不可逆，即不會(huì)再回到細(xì)胞質(zhì)，因?yàn)檫\(yùn)輸過程與釋能過程（如ATP水解）偶聯(lián)，且運(yùn)輸?shù)轿恢笮盘?hào)肽通常被切除。

信號(hào)識(shí)別顆粒是一種核蛋白：

①人信號(hào)識(shí)別顆粒由六種蛋白質(zhì)（SRP54、SRP19、SRP68、SRP72、SRP14、SRP9）和一種7S RNA構(gòu)成。其中7S RNA也記作7SL RNA，屬于胞質(zhì)小RNA，長(zhǎng)度為300nt；SRP54是一種GTPase，含兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：G結(jié)構(gòu)域結(jié)合GTP，M結(jié)構(gòu)域結(jié)合7SRNA（需SRP19協(xié)助）和信號(hào)肽。

②原核生物信號(hào)識(shí)別顆粒由一種蛋白質(zhì)和一種4.5S RNA（平均長(zhǎng)度為100nt）構(gòu)成。

③信號(hào)識(shí)別顆粒的功能是在結(jié)合GTP時(shí)與新合成的信號(hào)肽及核糖體結(jié)合，引導(dǎo)它們向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移，與停靠蛋白結(jié)合。

3.?？康鞍祝╠ockingprotein） 又稱信號(hào)識(shí)別顆粒受體（SRP receptor），是一種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合蛋白、一種αβ二聚體，其α亞基有GTPase活性。停靠蛋白的功能是在結(jié)合GTP時(shí)募集信號(hào)識(shí)別顆粒-新生肽-核糖體-mRNA復(fù)合物，引導(dǎo)它們向轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)移。

4.轉(zhuǎn)運(yùn)體（translocator） 又稱易位子（translocon）、易位蛋白質(zhì)，是一種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白，跨膜異三聚體，記作SEC61αβγ，功能是作為新生肽通道，在與核糖體結(jié)合時(shí)開放，介導(dǎo)新生肽進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。

5.分泌蛋白共翻譯運(yùn)輸機(jī)制　

①核糖體合成信號(hào)肽。

②核糖體通過信號(hào)肽募集信號(hào)識(shí)別顆粒。

③信號(hào)識(shí)別顆粒與GTP結(jié)合并中止肽鏈合成（因?yàn)榉忾]了延伸因子結(jié)合位點(diǎn)），此時(shí)新生肽長(zhǎng)約70AA（肽鏈過長(zhǎng)不利于運(yùn)輸）；mRNA-核糖體-新生肽-信號(hào)識(shí)別顆?！TP向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)移動(dòng)，被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜?？康鞍?/span>（結(jié)合有GTP）募集。

④核糖體與核糖體受體、貫穿內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)合，轉(zhuǎn)運(yùn)體開放，信號(hào)肽引導(dǎo)新生肽通過，同時(shí)信號(hào)識(shí)別顆粒和?？康鞍?/span>水解各自的GTP，信號(hào)識(shí)別顆粒釋放。

⑤新生肽繼續(xù)合成，并通過轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔（消耗ATP），信號(hào)肽被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中與轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)合的信號(hào)肽酶（signal peptidase，又稱前導(dǎo)肽酶。人信號(hào)肽酶是一種跨膜五聚體）切除。

⑥新生肽繼續(xù)合成，直到終止。

⑦核糖體解聚，轉(zhuǎn)運(yùn)體關(guān)閉，新生肽在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中修飾（圖4-18）。

分泌蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中修飾后，以運(yùn)輸小泡（transport vesicle）形式向高爾基體順面（順面高爾基網(wǎng)）運(yùn)輸，在高爾基體內(nèi)進(jìn)一步修飾（包括O-糖基化、N-寡糖加工），再以分泌小泡形式離開高爾基體反面（反面高爾基網(wǎng)），運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜，通過胞吐作用分泌到細(xì)胞外。

二、插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜、溶酶體膜和細(xì)胞膜的跨膜蛋白都是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上完成合成的，合成之后的運(yùn)輸途徑與分泌蛋白的運(yùn)輸途徑一致。跨膜蛋白在整個(gè)運(yùn)輸過程中始終呈跨膜狀態(tài)，不會(huì)改變與膜的相對(duì)取向。因此，跨膜蛋白最終的跨膜取向早在插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜時(shí)就確定了。

跨膜蛋白分為四類（圖4-19），這里以Ⅰ型單次跨膜蛋白為例介紹其嵌膜機(jī)制。

所有Ⅰ型跨膜蛋白（如LDL受體）都含N端信號(hào)肽和一段約22AA的內(nèi)部疏水肽段（稱為信號(hào)錨定序列，signal-anchor sequence，停止轉(zhuǎn)移序列，stop transfer sequence，即跨膜區(qū)序列），N端信號(hào)肽引導(dǎo)跨膜蛋白向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)移動(dòng)，信號(hào)錨定序列則為跨膜α螺旋。Ⅰ型跨膜蛋白的N端信號(hào)肽和分泌蛋白的信號(hào)肽一樣，通過信號(hào)識(shí)別顆粒與?？康鞍?/span>結(jié)合，啟動(dòng)共翻譯運(yùn)輸：

①新生肽N端進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，信號(hào)肽被切除。

②新生肽繼續(xù)合成并進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。

③信號(hào)錨定序列進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)體通道，跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)終止。

④信號(hào)錨定序列從轉(zhuǎn)運(yùn)體的亞基之間擠出，插入雙層膜結(jié)構(gòu)。

⑤新生肽繼續(xù)合成，核糖體仍然與轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)合，但轉(zhuǎn)運(yùn)體已經(jīng)關(guān)閉。

⑥合成終止，核糖體脫離轉(zhuǎn)運(yùn)體，跨膜蛋白C端位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面（圖4-20）。之后跨膜蛋白所在膜片出芽形成運(yùn)輸小泡，最終運(yùn)輸?shù)?span id="s0sssss00s" class="color-blue-03">功能場(chǎng)所。

三、進(jìn)入線粒體

人心肌線粒體蛋白質(zhì)組有615種蛋白質(zhì)，僅13種由mtDNA編碼，其余均由染色體DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)中翻譯合成，合成之后才向線粒體內(nèi)運(yùn)輸，稱為翻譯后運(yùn)輸（post-translational transport）。

1.線粒體蛋白信號(hào)肽　又稱轉(zhuǎn)運(yùn)肽（transit peptide），對(duì)于在細(xì)胞質(zhì)中合成的線粒體前體蛋白，其轉(zhuǎn)運(yùn)肽位于N端，長(zhǎng)20～55AA，并無(wú)序列保守性，但有以下特征：

①富含疏水性氨基酸、堿性氨基酸（特別是精氨酸）和羥基氨基酸（絲氨酸、蘇氨酸），幾乎不含酸性氨基酸。

②有兩親性α螺旋（又稱兩親螺旋）構(gòu)象，即疏水性氨基酸和堿性氨基酸分別位于α螺旋的兩個(gè)側(cè)面。

③沒有特異性，可以引導(dǎo)其他蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體。

2.線粒體蛋白運(yùn)輸機(jī)制　

①新合成的線粒體前體蛋白與分子伴侶?Hsp70（或MSF）結(jié)合，呈伸展?fàn)顟B(tài)（否則不能運(yùn)輸）。

②線粒體前體蛋白與線粒體外膜上的內(nèi)運(yùn)受體結(jié)合。

③內(nèi)運(yùn)受體（Tom20/22）將線粒體前體蛋白向線粒體內(nèi)外膜接觸點(diǎn)（contact point）轉(zhuǎn)移。

④線粒體前體蛋白由轉(zhuǎn)運(yùn)肽引導(dǎo)，穿過外膜TOM復(fù)合體（translocase of the outermembrane，TOM complex）Tom40和TIM復(fù)合體（translocase of the innermembrane，TIM complex）Tim23/17。

⑤結(jié)合在內(nèi)膜?Tim44?上的分子伴侶?Hsp70與線粒體前體蛋白結(jié)合，通過水解ATP提供能量促使其內(nèi)運(yùn)。內(nèi)運(yùn)動(dòng)力還來(lái)自跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子動(dòng)力。

⑥線粒體前體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)肽被線粒體加工肽酶（mitochondrial processing peptidase，MPP，αβ二聚體）切除。

⑦線粒體蛋白形成活性構(gòu)象（多數(shù)需要線粒體伴侶蛋白協(xié)助）（圖4-21）。

線粒體蛋白以線粒體基質(zhì)蛋白為主，此外還有內(nèi)膜蛋白、外膜蛋白、膜間隙蛋白。后三類蛋白質(zhì)均含相應(yīng)的靶向序列，由相關(guān)運(yùn)輸系統(tǒng)通過各自的運(yùn)輸機(jī)制完成運(yùn)輸。

四、進(jìn)入細(xì)胞核

真核生物每分鐘都有上百萬(wàn)個(gè)大分子進(jìn)出細(xì)胞核。細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間的物質(zhì)運(yùn)輸涉及大分子穿孔：

①RNA從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)。

②新生核糖體蛋白從細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞核。

③在細(xì)胞核內(nèi)組裝的核糖體亞基從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)。

此外，在細(xì)胞質(zhì)中合成并向細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)的還有其他細(xì)胞核蛋白，如DNA聚合酶、RNA聚合酶、組蛋白和非組蛋白（特別是轉(zhuǎn)錄因子）等。

真核生物細(xì)胞分裂時(shí)發(fā)生核膜破裂和重建（remodeling），細(xì)胞核蛋白也發(fā)生彌散和再聚，因此細(xì)胞核蛋白的信號(hào)肽——核定位信號(hào)（又稱核定位序列，NLS）并不切除。NLS可以位于一級(jí)結(jié)構(gòu)的不同位點(diǎn)，差異很大，多數(shù)含4～8AA，富含（連續(xù)的）堿性氨基酸（表4-13）。

表4-13　細(xì)胞核蛋白核定位信號(hào)和核輸出信號(hào)

有些蛋白質(zhì)會(huì)因代謝條件變化而在細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間穿梭，這種蛋白質(zhì)還需要核輸出信號(hào)（NES），例如人糖皮質(zhì)激素受體、E3泛素連接酶Mdm2（表4-13）。

1.參與細(xì)胞核蛋白運(yùn)輸?shù)牡鞍滓蜃?/strong>　種類繁多，其中包括：

①輸入蛋白（importin）：又稱輸入因子、核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，一類αβ二聚體，是細(xì)胞核蛋白的可溶性受體，其α亞基可識(shí)別細(xì)胞核蛋白核定位信號(hào)。

②Ran：一種小分子GTPase（215AA，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子基礎(chǔ)）。

2.細(xì)胞核蛋白運(yùn)輸機(jī)制　

①在細(xì)胞質(zhì)中，輸入蛋白與細(xì)胞核蛋白核定位信號(hào)結(jié)合，形成細(xì)胞核蛋白-輸入蛋白復(fù)合物。

②細(xì)胞核蛋白-輸入蛋白復(fù)合物通過核孔復(fù)合體（nuclear pore complex，NPC）進(jìn)入細(xì)胞核。

③Ran·GTP促使輸入蛋白與細(xì)胞核蛋白分離。

④Ran·GTP-輸入蛋白通過核孔復(fù)合體回到細(xì)胞質(zhì)。

⑤位于核孔復(fù)合體?胞質(zhì)面的GTP酶激活蛋白（GAP，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子基礎(chǔ)）激活Ran·GTP，使其水解GTP，成為Ran·GDP，從而與輸入蛋白分離，輸入蛋白繼續(xù)運(yùn)輸細(xì)胞核蛋白。

⑥Ran·GDP返回細(xì)胞核內(nèi)，由鳥苷酸交換因子（GEF，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子基礎(chǔ)）協(xié)助釋放GDP，結(jié)合GTP（圖4-22）。

*唐炳華，鄭曉珂.分子生物學(xué)（第3版）[M].北京:中國(guó)中醫(yī)藥出版社,2016.?

標(biāo)簽：分子生物學(xué)細(xì)胞核蛋白