A sejten belüli fehérje transzport mechanizmusok

Mi történik a fehérjékkel az ER-ben? Kotranszlációs transzmembrán transzport Transzmembrán fehérjék végleges orientációja Proteolízis (szignál peptidáz) N-glikoziláció és módosítás (szintézis közben) Hajtogatás (PDI –protein diszulfid izomeráz, calnexin, calretikulin, BiP) Multimer protein összeszerelése Rosszul hajtogatott fehérjék citoszolba történő transzportja Cél: funkcióképes térszerkezet (harmadlagos, negyedleges) kialakítása = Minőség ellenőrzés

ER lumen fő jellemzői: oxidatív magas Ca2+

Minőség ellenőrzés az ER-ben

he ER stress response pathway (7) he ER stress response pathway (7). Accumulation of unfolded proteins in the ER activates four distinct cellular responses. (A) Transcriptional induction of ER chaperones increases protein folding activity and prevents protein aggregation. (B) Translational attenuation reduces the load of new protein synthesis and prevents further accumulation of unfolded proteins. (C) The ER-associated degradation (ERAD) pathway eliminates misfolded proteins by the ubiquitin-proteasome system. (D) When functions of the ER are severely impaired, apoptosis is induced to destroy the cell.

Protein degradáció a proteaszómában poli

Unfolded protein response (UPR) Csaperon expresszió  A rosszul hajtogatott fehérjék indukálják a hajtogatást segítő csaperonok szintézisét.

Endoplazmás retikulum tárolási betegségek (ERSD)

A fehérje hiánya okozza a betegséget – funkció vesztés (loss of function) A felhalmozódó hibás fehérje okozza a betegséget - toxikus funkció nyerés (gain of toxic function)

Endoplazmás retikulum tárolási betegségek Protein hiány (ER retenció) Cystic fibrosis and associated diseases a1-antitrypsin deficiency without liver disease Congenital hypothyroidism: Thyroglobulin deficiency Thyroid peroxidase deficiency Thyroxin binding globulin deficiency Protein C deficiency Disorders of lipid metabolism LDL receptor defect Lipoprotein lipase deficiency Lipoprotein(a) deficiency Hereditary hypoparathyroidism Nephrogenic diabetes insipidus due to mutations in AVP receptor 2 or aquaporin-2 Growth hormone receptor deficiency Osteogenesis imperfecta Procollagen type I, II, IV deficiency Albinism/tyrosinase deficiency Obesity/elevated prohormone levels: prohormone convertase 1 deficiency 2. Toxikus protein vagy protein aggregátumok Autosomal dominant neurohypophyseal diabetes insipidus (aquaporin-2) Liver disease in a1-antitrypsin deficiency ? Creutzfeldt-Jakob disease ? Retinitis pigmentosa 3. Hibás transzport mechanizmus Combined coagulation factor V and VIII deficiency (ERGIC-53 mutation) Abetalipoproteinemia/deficiency of microsomal triglyceride transfer protein .

Cisztás fibrózis (AR) Nincs Cl- és víz transzport, sűrű nyálkaréteg, Fertőzések (tüdő)

Egy génnek különböző mutációi Alléljei vannak (multiplex allélizmus)

CFTR szerkezete NBF = ATP kötőhely F508 – 508. aminosav hiányzik

CFTR transzport F508 CFTR fehérje hajtogatódása nem jó, lebomlik a fehérje, nincs CFTR a plazmamembránban Transport of CFTR through the cell. Southern K W Arch Dis Child 1997;76:278-282 ©1997 by BMJ Publishing Group Ltd and Royal College of Paediatrics and Child Health

Cisztás fibrózis génterápiája

Protein hiány(nincs transzport az ER-ből) Endoplazmás retikulum tárolási betegségek Protein hiány (ER retenció) Cystic fibrosis and associated diseases a1-antitrypsin deficiency without liver disease Congenital hypothyroidism: Thyroglobulin deficiency Thyroid peroxidase deficiency Thyroxin binding globulin deficiency Protein C deficiency Disorders of lipid metabolism LDL receptor defect Lipoprotein lipase deficiency Lipoprotein(a) deficiency Hereditary hypoparathyroidism Nephrogenic diabetes insipidus due to mutations in AVP receptor 2 or aquaporin-2 Growth hormone receptor deficiency Osteogenesis imperfecta Procollagen type I, II, IV deficiency Albinism/tyrosinase deficiency Obesity/elevated prohormone levels: prohormone convertase 1 deficiency 2. Toxikus protein vagy protein aggregátumok Autosomal dominant neurohypophyseal diabetes insipidus (aquaporin-2) Liver disease in a1-antitrypsin deficiency ? Creutzfeldt-Jakob disease ? Retinitis pigmentosa 3. Hibás transzport mechanizmus Combined coagulation factor V and VIII deficiency (ERGIC-53 mutation) Abetalipoproteinemia/deficiency of microsomal triglyceride transfer protein . Protein hiány(nincs transzport az ER-ből)

Alfa1 antitripszin funkciója Proteáz inhibitor, a máj termeli Fertőzések  neutrofil granulociták elasztázt (proteáz) bocsájtanak ki  elpusztítják a kórokozókat, de ha nincs megfelelő mennyiségben alfa1 antitripszin, a tüdő szövetei is roncsolódnak (az elasztáz és az alfa1 antitripszin egyensúlya szükséges)  emphysema (csökken a légzőfelület) Homozigótákban expresszálódik

Heterozigótákban a dohányzás kiválthatja Dohányzás – több elasztáz

Alfa1 antitripszin hiány oka és következményei Génmutáció következményeként rosszul hajtogatott fehérje keletkezik, ami az ER minőség ellenőrző működése következtében lebomlik – hiányzik a fehérje  emphysema alakul ki A betegek kisebb százalékában májkárosodást is okoz, nehezen vagy egyáltalán nem bomlik le a fehérje (aggregátumok jönnek létre, amelyek gátolják a sejtek működését)

Alpha1 antitripszin akkumuláció hepatocitákban HE immunohisztokémia

Endoplazmás retikulum tárolási betegségek Protein hiány (ER retenció) Cystic fibrosis and associated diseases a1-antitrypsin deficiency without liver disease Congenital hypothyroidism: Thyroglobulin deficiency Thyroid peroxidase deficiency Thyroxin binding globulin deficiency Protein C deficiency Disorders of lipid metabolism LDL receptor defect Lipoprotein lipase deficiency Lipoprotein(a) deficiency Hereditary hypoparathyroidism Nephrogenic diabetes insipidus due to mutations in AVP receptor 2 or aquaporin-2 Growth hormone receptor deficiency Osteogenesis imperfecta Procollagen type I, II, IV deficiency Albinism/tyrosinase deficiency Obesity/elevated prohormone levels: prohormone convertase 1 deficiency 2. Toxikus protein vagy protein aggregátumok Autosomal dominant neurohypophyseal diabetes insipidus (aquaporin-2) Liver disease in a1-antitrypsin deficiency ? Creutzfeldt-Jakob disease ? Retinitis pigmentosa 3. Hibás transzport mechanizmus Combined coagulation factor V and VIII deficiency (ERGIC-53 mutation) Abetalipoproteinemia/deficiency of microsomal triglyceride transfer protein .

A pajzsmirigy jódtartalmú hormonjainak termelése follikulusok colloid Jodid felvétel, átszállítás és leadás a lumenbe Tireoglobulin (sok tirozin) szintézis Peroxidáz (TPO) szintézis és leadás peroxidáz jódozza a tireoglobulin tirozinjait (MIT, DIT) tárolás

A pajzsmirigy jódtartalmú hormonjainak termelése follikulusok Tireoglobulin felvétele, emésztése és a T3 (trijódtironin) és T4 (tiroxin) felszabadul T3 és T4 leadása a vérbe a vérben tiroxin kötő fehérjéhez kötődik (TBG)

A pajzsmirigy jódtartalmú hormonjainak termelése

Veleszületett hypothyroidismus okai A hormonok szintézisében ill. működésében szerepet játszó fehérjék hiánya: pl. a mutáns fehérje rosszul hajtogatódik (ER-ben marad), nem kerül ki a sejtből Tireoglobulin hiány Pajzsmirigy (thyroid) peroxidáz (TPO) hiány Tiroxin kötő fehérje hiány

Endoplazmás retikulum tárolási betegségek Protein hiány (ER retenció) Cystic fibrosis and associated diseases a1-antitrypsin deficiency without liver disease Congenital hypothyroidism: Thyroglobulin deficiency Thyroid peroxidase deficiency Thyroxin binding globulin deficiency Protein C deficiency Disorders of lipid metabolism LDL receptor defect Lipoprotein lipase deficiency Lipoprotein(a) deficiency Hereditary hypoparathyroidism Nephrogenic diabetes insipidus due to mutations in AVP receptor 2 or aquaporin-2 Growth hormone receptor deficiency Osteogenesis imperfecta Procollagen type I, II, IV deficiency Albinism/tyrosinase deficiency Obesity/elevated prohormone levels: prohormone convertase 1 deficiency 2. Toxikus protein vagy protein aggregátumok Autosomal dominant neurohypophyseal diabetes insipidus (aquaporin-2) Liver disease in a1-antitrypsin deficiency ? Creutzfeldt-Jakob disease ? Retinitis pigmentosa 3. Hibás transzport mechanizmus Combined coagulation factor V and VIII deficiency (ERGIC-53 mutation) Abetalipoproteinemia/deficiency of microsomal triglyceride transfer protein .

Vese eredetű diabetes insipidus nem megfelelő a vesében a víz visszaszívása ok: - nem működik a vazopresszin receptor - aquaporin nem működik A víz diffúzióval és fehérje (aquaporin) segítségével mehet át a membránon.

In the case of given mutation of AVP receptor OR aquaporin causing Blood Collecting Duct lumen Under normal physiological conditions, decreases in blood pressure or blood volume and increases in extracellular sodium cc. Arginine vasopressin (AVP) is released into circulation, causing water retention in the renal collecting duct cell. In the collecting duct cell, AVP targets the V2 receptor, activating protein kinase by way of cAMP and phosphorylates aquaporins that insert into the luminal cell membrane of the collecting duct.With aquaporins in place, large volumes of water are reabsorbed from the tubular fluid, subsequently increasing body water, blood pressure, and blood volume. In the case of given mutation of AVP receptor OR aquaporin causing misfolding of the proteins in ER, the proteins are degraded and not transported to plasmamembrane.

Rosszul hajtogatott fehérjék szerepe a neurodegeneratív betegségekben

Summary of proposed involvement of protein misfolding in neurodegenerative diseases

Az eukarióta sejt legjelentősebb transzportja a vezikuláris transzport

Vezikuláris transzport mechanizmusa

Vezikuláris transzport főbb lépései Fehérjék kiválogatása, majd vezikulumba csomagolása ligand – receptor – burok képző fehérje (+adaptor) kis G protein

A vezikulumok tartalma specifikus citoszol Specifikus kapcsolódás Burok fehérje Adaptor fehérje lumen Receptorok és burkok biztosítják

A burok fehérjék (kívül) Klatrin COPI és II kaveolin A vezikulum burkai előbb (klatrin) vagy utóbb (COP) leválnak. leválás kialakulás energiaigényes

A burkok útvonal specifikusak

Klatrin szerkezete és a klatrin burkos vezikulum

Vezikuláris transzport főbb lépései Fehérjék kiválogatása, majd vezikulumba csomagolása ligand – receptor – burok képző fehérje (adaptor) kis G protein 2. Vezikulum lefűződése speciális foszfolipid összetétel (a membránban) mechanoenzim (a vezikulum lefűzéséhez)

A klatrin burkos vezikulumok lefűződése egy mechanoenzim, a dinamin (monomer G protein) segítségével történik

Vezikuláris transzport főbb lépései Fehérjék kiválogatása, majd vezikulumba csomagolása ligand – receptor – burok képző fehérje (adaptor) kis G protein 2. Vezikulum lefűződése speciális foszfolipid összetétel (a membránban) mechanoenzim (a vezikulum lefűzéséhez) 3. A vezikulum szállítása diffúzió, citoszkeleton

A vezikulumok a citoszkeleton segítségével szállítódnak Aktin filamentum (miozin) mikrotubulus (dinein vagy kinezin)

Vezikuláris transzport főbb lépései Fehérjék kiválogatása, majd vezikulumba csomagolása ligand – receptor – burok képző fehérje (adaptor) kis G protein 2. Vezikulum lefűződése speciális foszfolipid összetétel (a membránban) mechanoenzim (a vezikulum lefűzéséhez) 3. A vezikulum szállítása diffúzió, citoszkeleton 4. Célmembrán megtalálása és dokkolás komplemeter v és tSNARE-k Rab (monomer G) fehérjék

Hogyan találják meg a vezikulumok a célmembránjukat? Donor kompartment Célkompartment 1 Dokkolás fúzió Célkompartment 2

Monomer (kis) G-fehérjék

GTP kötött formában beépül a membránba GDP kötött formában szolubilis Rab monomer G fehérje szerepe a dokkolásban Rab fehérje: GTP kötött formában beépül a membránba GDP kötött formában szolubilis

A Rab monomer G proteinek specifikusak az adott vezikuláris transzportra

Vezikuláris transzport főbb lépései Fehérjék kiválogatása, majd vezikulumba csomagolása ligand – receptor – burok képző fehérje (adaptor) kis G protein 2. Vezikulum lefűződése speciális foszfolipid összetétel (a membránban) mechanoenzim (a vezikulum lefűzéséhez) 3. A vezikulum szállítása diffúzió, citoszkeleton 4. Célmembrán megtalálása és dokkolás komplemeter v és tSNARE-k Rab (monomer G) fehérjék 5. Fúzió SNARE-ek és fúziós fehérjék SNARE-ek szétválasztása (NSF)

Membrán fúzió Nature Medicine  8, 1059 - 1062 (2002)

Kapcsolódó SNARE-eket az NSF választja szét

Neurotoxinok amelyek az idegsejtek vezikuláris transzportját (SNARE-ket) gátolják Tetanus toxin (Clostridium tetani) gátló neurotranszmitterek nem tudnak kiürülni (nincs exocitózis) Botulinum toxin (Clostridium botulinum) stimuláló neurotranszmitterek nem tudnak kiürülni

Az eukarióta sejt legjelentősebb transzportja a vezikuláris transzport

A szekréciós útvonal Golgi

A Golgi készüléket Camillo Golgi fedezte fel Internal reticular apparatus (1897) – Golgi komplex – Golgi Nobel díj 1906 Fém impregnáció

A Golgi szerkezete polarizált (szerkezet és funkció) Fénymikroszkópos kép (immuncitokémia) Transzmissziós elektron mikroszkópos kép Sémás kép

A Golgi alkompartmentjei

Golgi ER-Golgi intermedier kompartment (ERGIC-53) Endoplazmás retikulum

A véralvadás sémája Kombinált hiányuk oka, az ERGIC-53 fehérje X-kromoszómához kötött Kombinált hiányuk oka, az ERGIC-53 fehérje mutációja (csaperon fehérje, amely a VIII és V faktor szekréciójához kell) A faktorok a májban termelődnek

Mikrotubulusok szerepe a Golgi szerkezet fenntartásában 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter. Intakt MT depolimerizált MT Golgi- zöld Mikrotubulus (MT) - piros

Szénhidrátlánc átalakítás Szénhidrátlánc szintézis Mi történik a Golgiban? dER ERGIC Cisz Golgi hálózat (CGN) Cisz Golgi Mediális Golgi Transz Golgi Transz Golgi hálózat (TGN) Szénhidrátlánc átalakítás Szénhidrátlánc szintézis Osztályozás

Golgi funkciói N- oligoszacharid lánc módosítása, új oligo- vagy poliszacharid láncok kötése - M-6-PO4 csoport (lizoszómális enzimek) - nincs változtatás (sok mannóz) - mannózok cseréje más monoszacharidokra - O-glikoziláció - proteoglikán szintézis SO4 csoport kötése aminosavakra vagy szénhidrátláncra lipidek módosítása – glikolipidek, - szfingomielin proteolízis osztályozás – vissza az ER-be - Golgi proteinek visszatartása - TGN – lizoszóma, plazmamembrán

Glikoziláció Oligoszacharid lánc kapcsolása fehérjéhez (lipidhez) Glikozil transzferázok katalizálják N-glikoziláció (Asn) ER-ben történik, ER-ben és Golgiban módosul (hosszabb lánc) O-glikoziláció (Ser, Thr) Golgiban történik (rövidebb láncok)

Glikoziláció

Proteoglikánok Plazmamembrán ECM N and O oligosaccharides are not shown A fehérjéhez ismétlődő diszacharidokból (negatív töltésű - COOH, -SO4) álló glükózaminoglikánok (pl. hialuronsav, kondroitin szulfát, dermatán szulfát és heparán szulfát) poliszacharidok kapcsolódnak.

Membránlipid szintézis

Kétirányú transzport a dER és a Golgi között anterográd retrográd ER retenciós szignál KDEL a C terminális végen

A plazmamembrán felé irányuló transzport: konstitutív és a regulált szekréció (exocitózis) Minden sejt állandóan pl. membrán pótlás, ECM szignál Csak bizonyos sejtek, ingerre idegsejtek és mirigy sejtek

Polarizált sejtben a konstitutív szekrécióval a megfelelő helyre kell eljuttatni a membránkomponenseket

Néhány genetikai betegség, amely hibás Golgi működésre vezethető vissza

Cu metabolizmus Bélhámsejt májsejt ATP7B ATP7A Vér

Menkes kór - ATP7A mutáció – XR – Cu hiány - enzimek működéséhez kell Wilson kór - ATP7B (máj,idegrendszer) XR – Cu felhalmozódás

Fehérjék, amelyek hibája izomdisztrófiát okoz

Glikoziláció hiányában nincs kapcsolódás A fehérjék glikozilációja a Golgiban történik.

Golgi glikozilációs enzimek, amelyek hibája izomdisztrófiát okoz

I (inclusion) sejt betegség Golgi - foszfotranszferáz hiány – lizoszómális enzimek nem kapnak M-6-P szignált, ezért szekrécióra kerülnek, a sejtbe került anyagok nem tudnak lebomlani =inclusion body-k Főleg fibroblaszt és makrofág ( más sejtekben más útvonal lehet?) letális