Science：从结构上揭示哺乳动物细胞内的蛋白转运

高等生物的细胞密集地分布着被称作内质网（ER）的管状膜网络。驻留在内质网中的复合物充当着核糖体的结合平台，其中核糖体是负责蛋白合成的细胞机器。附着在内质网上的核糖体合成靶向运送到各种胞内和胞外位置上的蛋白。为了确保成功运送，这些蛋白中有许多在通过内质网膜时遭受化学修饰，从而携带着类似地址标签的分子标签。

在一项新的研究中，来自德国、美国和荷兰的研究人员可视化观察蛋白合成、运输和修饰之间的复杂相互作用。他们解析出将这种标记步骤与内质网膜上的核糖体蛋白合成和蛋白运输偶联在一起的一种大分子复合物的三维结构。他们的研究为详细了解这一重要的细胞过程奠定基础。相关研究结果于2018年3月8日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Structural basis for coupling protein transport and N-glycosylation at the mammalian endoplasmic reticulum”。论文通信作者为德国慕尼黑大学的Roland Beckmann教授、荷兰乌特勒支大学的Friedrich Förster博士和德国马克斯普朗克生物化学研究所的Stefan Pfeffer博士。

所有的生物膜都是由磷脂双分子层构成的，而磷脂双分子层对蛋白等极性（带电荷的）分子基本上是不能通过的。然而，某些特定的蛋白能够作为其他蛋白通过脂质双层的通道。在内质网膜上，一种被称作转运体（translocon）的蛋白复合物--- Sec61蛋白传导通道---允许由附着到内质网上的核糖体合成的蛋白分别进入内质网内部或被整合到内质网膜中。当穿过内质网膜时，新生的蛋白通过在它的特定位点上连接由14个糖分子链组成的“寡糖”来加以修饰，这一过程被称作糖基化。这种化学标签确保该蛋白随后被运送到正确的目的地。此外，这种化学标签在让新生的蛋白折叠成它的生物学功能所需的正确形状中发挥着重要的作用。论文第一作者、Beckmann团队成员Katharina Braunger说，“糖基化错误导致不正确折叠的蛋白积累，从而激活细胞应激反应---这通常会对细胞产生致命的后果。”

当核糖体让新生蛋白链通过转运体时，一种被称作寡糖转移酶（oligosaccharyltransferase， OST）的酶复合物将寡糖连接到这种新生蛋白链上。在高级生物中，OST复合物存在两种不同的形式：A型OST和B型OST。如今，这些研究人员通过将低温电镜技术和低温电子断层扫描术结合在一起，获得表明这两种形式在功能上也存在差异的结构证据。A型OST与活性的核糖体和Sec61蛋白传导通道相互作用形成一种稳定的复合物，并且在新生蛋白链的产生过程中对它进行化学修饰。然而，B型OST不能够结合到这种转运体上。Beckmann说，“B型OST负责校对和对A型OST不能够接触到的位点进行修饰。”

这些新的数据允许这些研究人员能够确定与结合着核糖体的OST复合物中的亚基的三维结构，并为它们的功能开发出一种分子模型。这种模型成为他们提出这两种OST形式在特异性上存在差异的基础，并解释着蛋白转运和糖基化是如何在机制上偶联在一起的。