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Capire le eliche anfipatiche nel targeting delle proteine verso il reticolo endoplasmatico

La ricerca sulle eliche anfipatiche rivela nuove intuizioni sulla localizzazione delle proteine nelle cellule.

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Il Reticolo Endoplasmatico (RE) è una parte fondamentale delle cellule, giocando un ruolo cruciale nella vita di molte proteine. Funziona come un luogo dove le proteine destinate alla secrezione o a far parte delle membrane si registrano per prime e subiscono cambiamenti prima di completare il loro viaggio verso le destinazioni finali. Nella lievito di birra, circa un terzo delle sue proteine è indirizzato al RE, dove possono rimanere ferme o essere inviate in altre parti della cellula. Un corretto targeting al RE è essenziale per il buon funzionamento della cellula.

I ricercatori hanno imparato molto su come le proteine trovano la loro strada verso il RE. Ci sono tre principali vie che le proteine usano per arrivarci, conosciute come il Particella di Riconoscimento del Segnale (SRP), Ingresso Guidato delle Proteine Ancorate per Coda (GET) e vie indipendenti da SRP (SND). Ogni via utilizza segnali diversi all'interno delle proteine per guidarle nel posto giusto nel RE. Per la maggior parte delle proteine, una sezione idrofobica è fondamentale, permettendo loro di muoversi all'interno del RE o di attaccarsi alla sua membrana. Tuttavia, alcune proteine conosciute come proteine di superficie del RE (SuPs) non hanno i segnali abituali, ma riescono comunque a trovare la strada verso la membrana del RE.

Per approfondire questo sistema di targeting unico per le SuPs, i ricercatori hanno deciso di studiare una specifica proteina di un virus chiamato Brome mosaic virus (BMV). Questo virus infetta alcune piante e il suo processo di replicazione può essere imitato nel lievito di birra. Durante questa replicazione, una proteina chiamata 1a lavora duro per raccogliere altre proteine ospiti e componenti virali per formare complessi alla membrana del RE, assicurando che il virus possa diffondersi efficacemente. Interessante è il fatto che questa proteina 1a non ha una sequenza segnale che normalmente la guiderebbe verso la membrana. Invece, ha due aree conosciute come eliche anfipatiche che sembrano aiutare a localizzarla correttamente sulla superficie del RE.

Un'elica anfipatica è una struttura speciale che ha lati sia idrofobici (repellenti all'acqua) che idrofili (attrattivi per l'acqua). Questa forma unica permette all'elica di interagire sia con la membrana che con l'ambiente cellulare. La presenza di eliche anfipatiche non è solo notata nel virus BMV, ma si trova anche in vari altri virus e in alcune proteine cellulari. I ricercatori sospettano che queste strutture aiutino a indirizzare le proteine verso organelli specifici all'interno delle cellule, aiutandole a svolgere le loro funzioni in modo efficace.

Scoprire il Ruolo delle Eliche Anfipatiche nel Targeting

Per saperne di più su come queste eliche anfipatiche contribuiscano al targeting delle proteine verso il RE, gli scienziati hanno condotto uno studio genetico nel lievito. Volevano identificare eventuali mutazioni genetiche che potessero interferire con la localizzazione dell'elica 1aHB. Attraverso il loro screening, hanno scoperto che la Composizione lipidica del RE è critica per la localizzazione di successo dell'elica 1aHB.

Successivamente, hanno esplorato alcune eliche anfipatiche nelle proteine di lievito e umane per vedere se esistessero strutture simili, e in effetti, molte sono state trovate. Alcune di queste eliche sono state conservate dal lievito agli esseri umani. È interessante notare che le eliche anfipatiche identificate nel lievito erano anche in grado di indirizzare le proteine specificamente verso il RE, mostrando una forma di coerenza nei meccanismi di targeting delle proteine attraverso le specie. Indagando ulteriormente su queste eliche, i ricercatori si sono concentrati su proprietà come la lunghezza dell'elica e la presenza di determinati gruppi chimici che potrebbero essere modificati in termini di carica.

Screening ad Alta Capacità per i Meccanismi di Targeting al RE

La domanda di ricerca iniziale riguardava come le proteine di superficie del RE vengano correttamente indirizzate verso la membrana. Usando l'elica 1aHB come modello, i ricercatori sono stati in grado di confermare che poteva effettivamente guidare le proteine verso il RE. Hanno esaminato vari mutanti di lievito con geni alterati per osservare come queste modifiche influenzassero il posizionamento dell'elica 1aHB. I risultati suggerivano che la composizione lipidica naturale della membrana del RE gioca un ruolo significativo nella localizzazione di questa elica.

Dallo studio genetico, hanno identificato 136 mutanti con diversi schemi di distribuzione delle proteine. Sorprendentemente, non hanno trovato collegamenti diretti con i noti meccanismi di targeting al RE, suggerendo che potrebbero esserci fattori aggiuntivi coinvolti. Molti dei mutanti che hanno analizzato erano collegati alla sintesi di un tipo specifico di lipide noto come fosfatidilinositolo (PI). Poiché il PI è un elemento principale delle membrane cellulari, è diventato evidente che alterare i livelli di PI influenzava quanto bene le proteine si localizzassero al RE.

Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che, quando un gene responsabile della produzione di PI veniva eliminato, i livelli della proteina 1a si riducevano della metà. Inoltre, la replicazione del virus BMV diminuiva significativamente in queste ceppi mutanti, sottolineando l'importanza della composizione lipidica nel ciclo di vita virale.

Previsioni e Scoperte delle Eliche Anfipatiche nelle Proteine di LieVito

Costruendo sui risultati ottenuti dall'elica 1aHB, i ricercatori hanno cercato di determinare se altre eliche anfipatiche native nelle proteine del RE del lievito potessero assistere nel targeting. Hanno iniziato identificando proteine nel lievito che erano conosciute per risiedere nel RE, ma mancavano di sequenze segnale convenzionali o domini trasmembrana. Questa ricerca ha portato all'identificazione di 49 potenziali proteine di superficie del RE.

Hanno previsto l'esistenza di eliche anfipatiche all'interno di diverse di queste proteine e hanno testato se queste eliche da sole potessero consentire una corretta localizzazione al RE. I risultati sono stati promettenti, poiché la maggior parte delle eliche previste ha mostrato la capacità di raggiungere il RE. Tuttavia, un'elica, chiamata Sec16H, non si localizzava al RE, il che potrebbe essere dovuto alle sue proprietà strutturali.

Esaminando le caratteristiche delle eliche anfipatiche, i ricercatori hanno notato che la lunghezza dell'elica era fondamentale per un targeting di successo al RE. Hanno esperimentato con eliche più lunghe e hanno osservato cambiamenti nella Localizzazione delle proteine, sottolineando l'importanza delle interazioni idrofobiche per indirizzare le proteine nelle giuste posizioni cellulari.

Indagare l'Influenza delle Caratteristiche dei Residui sulla Localizzazione al RE

I ricercatori hanno considerato come i cambiamenti nelle proprietà degli aminoacidi, in particolare quelli nella faccia idrofobica delle eliche, influenzassero il targeting. Hanno trovato che la presenza di residui aromatici ingombranti come la fenilalanina o il triptofano era una caratteristica comune tra le eliche. Tuttavia, quando hanno sostituito questi residui più grandi con quelli idrofobici più piccoli, non è stata osservata alcuna significativa influenza sulla localizzazione.

Questo ha indicato che, mentre i residui ingombranti possono avere un ruolo, non sono l'unico fattore nel determinare dove le proteine finiscano. I ricercatori hanno continuato a indagare altre caratteristiche, inclusa la carica dei residui adiacenti all'area idrofobica delle eliche. Alcuni residui potevano essere modificati per perdere la loro carica o diventare negativamente caricati tramite fosforilazione.

Nei loro esperimenti, hanno sostituito specifici residui di serina e treonina con aminoacidi non fosforilabili. Questa alterazione ha effettivamente portato a cambiamenti osservabili nella localizzazione, specialmente per le eliche che inizialmente erano più deboli nel localizzarsi al RE. Questo ha portato all'osservazione che i residui caricati vicino alla zona idrofobica potevano influenzare quanto efficacemente un'elica indirizzasse il RE.

Considerazioni Finali sulle Eliche Anfipatiche e il Targeting delle Proteine

Questo lavoro ha fornito nuove intuizioni su come alcune proteine raggiungano le loro posizioni designate all'interno del reticolo endoplasmatico. L'identificazione di cinque eliche anfipatiche endogene nelle proteine di lievito è un passo significativo nella comprensione dei meccanismi di targeting per le proteine di superficie del RE. Queste eliche condividono caratteristiche comuni con l'elica virale 1aHB, suggerendo un livello di conservazione nel modo in cui si ottiene la localizzazione della membrana attraverso vari organismi.

I risultati sollevano domande intriganti sullo scopo evolutivo di queste eliche anfipatiche. Comprendere come le proteine siano guidate verso le loro posizioni specifiche potrebbe fornire una consapevolezza più profonda dei processi cellulari e aiutare a informare la ricerca in campi come la virologia e la scienza medica.

La ricerca mette in evidenza quanto siano diverse le sistemi che le cellule usano per regolare la localizzazione delle proteine. L'equilibrio intricato tra composizione lipidica, proprietà fisiche delle eliche anfipatiche e la loro carica complessiva è indicativo della complessa macchina che sostiene la vita cellulare. Gli studi futuri dovranno esplorare ulteriormente questi elementi, così come le implicazioni più ampie per la biologia cellulare e i meccanismi delle malattie.

Alla fine, questa esplorazione sottolinea l'importanza di indagare i modi sottili ma significativi in cui le proteine vengono dirette all'interno delle cellule, fondamentale per la nostra comprensione della funzione e della salute cellulare.

Fonte originale

Titolo: A new targeting motif for endoplasmic reticulum surface proteins

Estratto: The Endoplasmic Reticulum (ER) is the entry site to the secretory pathway, serving as the targeting destination for [~]30% of the proteome. The mechanisms for targeting soluble or integral membrane secretory pathway proteins are well-studied. However, it is currently unknown how the tens of ER surface proteins (SuPs), central for organelle function, reach the outer leaflet of the membrane. It was previously shown that an amphipathic helix (AH) from the Brome mosaic virus protein 1a, is both necessary and sufficient for targeting to the ER surface in bakers yeast. We therefore utilized this helix as a model substrate and performed a high-content screen to uncover factors that affect SuP targeting. Our results suggest a role for membrane lipid composition in targeting specificity. To see if the presence of an AH is a more general mechanism for SuP targeting, we searched for their presence within SuPs of both yeast and humans. Five endogenous yeast SuPs contained AHs, and of these four were sufficient for ER localization. Moreover, the presence of an AH was conserved to human SuP orthologs. By altering helix features we determine the parameters that affect this new targeting motif. Hence our work demonstrates how specific properties of AHs encode affinity for the ER membrane. More globally, understanding how SuPs are targeted correctly takes us a step forward in determining the underlying mechanisms of cellular localization and secretory pathway functions. The authors declare that they have no conflict of interest.

Autori: Emma J Fenech, S. Arad, P. Suseendran, S. Ravid, Y. Peleg, S. Ben-Dor, E. Fidel, T. Olender, X. Wang, M. Schuldiner

Ultimo aggiornamento: 2024-04-22 00:00:00

Lingua: English

URL di origine: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.22.590521

Fonte PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.22.590521.full.pdf

Licenza: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Modifiche: Questa sintesi è stata creata con l'assistenza di AI e potrebbe presentare delle imprecisioni. Per informazioni accurate, consultare i documenti originali collegati qui.

Si ringrazia biorxiv per l'utilizzo della sua interoperabilità ad accesso aperto.

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