Signalpeptid

Die Signalsequenz (auch Signalpeptid oder Transitpeptid) ist Bestandteil eines Proteins und eine Abfolge an Aminosäuren, die über den Bestimmungsort und den Transportweg des Proteins innerhalb der Zelle bestimmt. Typischerweise besitzen Proteine, deren Bestimmungsort sich außerhalb der Zelle, in Biomembranen oder in Kompartimenten befindet, Signalsequenzen.

So ist für den Transport in das endoplasmatische Reticulum, Chloroplasten, Mitochondrien, die Peroxisomen oder den Zellkern und deren Membranen meist eine Signalsequenz erforderlich. Es ist sogar möglich, dass ein Vorläuferprotein gleichzeitig in verschiedene Organellen importiert wird, wie etwa Mitochondrium und Chlorplast (dual-targeting).

Auch bakterielle Proteine können Signalsequenzen besitzen, die Proteine für den Transport in die Zellmembran oder den Extrazellularraum bestimmen^[1].

Endoplasmatisches Reticulum

Schematische Darstellung der Signalsequenz.

Ein Transport in das Lumen oder die Membran des endoplasmatischen Reticulums kann während der Proteinbiosynthese erfolgen (cotranslationaler Proteintransport) oder erst als fertiges Protein, das vorher im Zytoplasma hergestellt worden ist (posttranslationaler Proteintransport). Proteine mit hydrophileren Signalsequenzen werden bevorzugt posttranslational transportiert.

Proteine mit hydrophoberen Signalsequenzen werden dagegen vor allem cotranslational transportiert. Dies geschieht am "rauen ER", das mit Ribosomen besetzt ist. Der Transportmechanismus ist komplex und umfasst neben dem Ribosom die mRNA, interagierende Proteine wie der Signal Recognition Particle einen Rezeptor sowie den Tunnelproteinkomplex (SEC-Komplex) in der Membran des ER.

Alle sekretorischen Proteine und die meisten in die Membran integrierten Proteine tragen ein Signal^[2] von einer Länge von 15 bis 40 Aminosäuren an ihrem N-Terminus mit bestimmten Eigenschaften. Die genaue Abfolge der einzelnen Aminosäuren ist dabei weniger wichtig, als ihre physikalischen Eigenschaften: ein zentraler hydrophober Kern wird N-terminal von positiv geladenen Aminosäuren und C-terminal von polaren Aminosäuren flankiert. In den meisten Fällen wird die Signalsequenz nach dem Membrandurchtritt vom eigentlichen Protein durch die Signalpeptidase abgespalten. Die Schnittstelle wird durch kleine Aminosäurereste in den Positionen −3 und −1 der C-terminalen polaren Region der Signalsequenz definiert.

Besonderheiten

Bei Membranproteinen, die keine Signalsequenz besitzen, übernimmt gewöhnlich die erste Transmembrandomäne während des Cotranslationalen Transports die Funktion der Signalsequenz. Das auch als Signalankersequenz bezeichnete Segment zeichnet sich durch einen längeren hydrophoben Kernbereich, sowie eine fehlende Signalpeptidaseschnittstelle gegenüber der normalen Signalsequenz aus. Der Großteil der Proteine, die zum ER transportiert werden, besitzt N-terminal orientierte Signal- oder Signalankersequenzen. Jedoch gibt es auch integrale Membranproteine, die ohne N-terminale Signalsequenz in die ER-Membran inseriert werden. Bei diesen Proteinen erfolgt die Erkennung über ein C-terminal gelegenes hydrophobes Segment. Wie diese Proteine in die ER-Membran inserieren, ist bisher jedoch noch nicht geklärt.

Mitochondrium

Der Proteinimport in das Mitochondrium erfolgt posttranslational, also nach abgeschlossener Proteinbiosynthese. Alle Importprozesse erfolgen über die gleiche Transportmaschinerie, den TOM-Komplex (englisch: translocase of the outer membrane) der äußeren Mitochondrienmembran. Daneben bestehen eine Reihe anderer Proteinkomplexe, die die Integration von Proteinen in die äußere Mitochondrien-Membran (SAM-Komplex, sorting and assembly machinery), den Import in die innere Mitochondrienmembran und die Mitochondrienmatrix (TIM-Komplexe, translocase of the inner membrane) vermitteln.

Proteinvorläufer können in zwei Gruppen eingeteilt werden: die erste Gruppe bilden Proteine mit N-terminalen Signalen, die für die Mitochondrien-Matrix bestimmt sind, einige Proteine der inneren Membran und des Intermembranraums zwischen äußerer und innerer Membran. Die Aminosäurereste tragen positive Ladungen und interagieren mit den Importrezptoren des Organells und leiten es auch über die innere Membran zu ihrem Bestimmungsort. Sie bestehen im Allgemeinen aus 20-40 Aminosäuren, die eine amphiphile α-Helix bilden, die vom Importapparat erkannt wird. Die Signalsequenz wird nach erfolgtem Import durch eine Peptidase abgeschnitten.

Die zweite Gruppe umfasst alle Proteine der äußeren Membran, viele Proteine der inneren Membran und des Intermembranraums. Sie tragen lediglich interne Signale, die nicht abgeschnitten werden können^[3].

Chloroplast

Der Proteinimport in den Chloroplasten erfolgt posttranslational über die Proteinkomplexe TOC (Translocase of the outer chloroplast membrane) und TIC (Translocase of the inner chloroplast membrane).

Plastidäre Signalpeptide befinden sich am N-Terminus des Proteinvorläufers und besitzen bestimmte physikalische Eigenschaften: sie sind reich an Aminosäuren mit hydroxylierten Resten, besitzen keine sauren Reste und bilden keine Sekundärstruktur. Die Präsequenz wird phosphoryliert und geht Interaktionen mit den Proteinen Hsp70 und 14-3-3 ein, die das Protein zum Transportapparat begleiten^[4]. Nach dem Import wird die Signalsequenz durch einen Peptidase abgeschnitten. Die Proteine der äußeren Membran erfordern kein N-terminales Signalpeptid, der Mechanismus der Integration ist noch unbekannt.

Proteine, deren Bestimmungsort die Membran oder das Lumen der Thylakoide sind, können ebenfalls zusätzliche Signalsequenzen enthalten.

Peroxisom

Der posttranslationale Proteinimport in das Peroxisom beruht auf zwei unterschiedlichen Arten von Signalsequenzen, die PTS genannt werden (englisch: Peroxisome Targeting Signal, "auf Peroxisomen zeigende Signale").

PTS1-Sequenzen sind kurze, C-terminale Signale, die die Aminosäureabfolge von (S/A/C)-(K/R/H)-(L/L/M) enthalten und mehrmals wiederholt sind. Sie werden von dem Rezeptor Peroxin-5 (Pex5p) erkannt^[5].

PTS2-Sequenzen sind Signale aus 9 Aminosäuren, die etwa 20 Residuen vom N-Terminus entfernt liegen. Der Rezeptor für PTS2-Signale ist des Peroxin-7 (Pex7p).

Zellkern

Auch beim posttranslationalen Proteimport in den Zellkern ist eine Signalsequenz, hier Kernlokalisierungssignal genannt, erforderlich. Diese wird von einem Kernimportrezeptor erkannt mit diesem zusammen in den Kern transportiert.

Literatur

• Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger: Physiologie der Pflanzen. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2000.
• Figueroa-Martinez et al.: Reconstructing the Mitochondrial Protein Import Machinery of Chlamydomonas reinhardtii. Genetics (2008) vol. 179 (1) pp. 149-155
• Brown et al.: Peroxisome biogenesis and the role of protein import. Journal of Cellular and Molecular Medicine (2003)
• Rassow et al.: Duale Reihe der Biochemie. Thieme Verlag, Stuttgart 2006.

Einzelnachweise

1. ↑ Cristóbal et al.: Competition between Sec-and TAT-dependent protein translocation in Escherichia coli. The EMBO Journal (1999)
2. ↑ Blobel. Transfer of proteins across membranes. I. Presence of proteolytically processed and unprocessed nascent immunoglobulin light chains on membrane-bound ribosomes of murine myeloma. G and B. The Journal of Cell Biology (1975)
3. ↑ Wiedemann. The Protein Import Machinery of Mitochondria. Journal of Biological Chemistry (2004) vol. 279 (15) pp. 14473-14476
4. ↑ Soll et al.: Plant cell biology: Protein import into chloroplasts. Nat Rev Mol Cell Biol (2004) vol. 5 (3) pp. 198-208
5. ↑ Brown et al.: Peroxisome biogenesis and the role of protein import. Journal of Cellular and Molecular Medicine (2003)