Sci Adv | 发现ATP13A1与SEC61结合,促进底物特异性易位

蛋白质准确靶向至其指定的细胞区室对于维持细胞结构和功能的正常运行至关重要。然而,分泌蛋白和膜蛋白中高度多变的靶向序列的解析和分类,给实现分泌途径内的精确定位带来了重大挑战。

2025年6月11日,上海科技大学邹燕,廖军和Zhigang Feng共同通讯在Science Advances(IF=11.7)在线发表题为“ATP13A1 engages SEC61 to facilitate substrate-specific translocation”的研究论文。该研究表明,一类非典型信号序列,其特征为高度疏水性和/或缺乏典型电荷特征,可被信号识别颗粒(SRP)识别并以反向构象靶向至内质网。这些错误定向的信号序列随后被P5A-ATP酶ATP13A1驱逐,转运至SEC61复合体以完成进一步转位。通过冷冻电子显微镜,作者解析了人ATP13A1多种构象的结构(分辨率3.40至3.87埃),揭示了其底物结合口袋内关键残基通过极性相互作用识别信号序列的机制。综上,本研究阐明了一条底物特异性的蛋白转位通路,确保蛋白质亚细胞定位的高效性与准确性。

蛋白质准确定位到各自的目的地对于维持细胞结构和稳态至关重要。大约三分之一的真核生物蛋白组由分泌蛋白和膜蛋白组成,这些蛋白质需要转运到细胞外区室或细胞内细胞器。在生物合成过程中,大多数这些蛋白质需要通过共同翻译或翻译后转运进入内质网(ER),并通过其不透膜。内质网转位过程是一个复杂且高度调控的过程,涉及两个主要的机制。最初,翻译中的多肽链的N端信号序列或跨膜螺旋被细胞质中的信号识别颗粒(SRP)识别,然后将其递送到内质网膜上的SRP受体(SR)。新生多肽链随后被转移到SEC61转位复合体,并导入内质网腔,直到停滞信号(如跨膜螺旋)从核糖体中释放出来。信号序列通过信号肽酶复合体(SPC)协同翻译地从转运的多肽中移除,从而释放成熟蛋白质。另一种情况下,翻译后转运的蛋白质则利用细胞质伴侣蛋白防止其在转运前折叠,并需要Sec62-Sec63参与转运。蛋白质转运机制的功能失调已与多种发育障碍和疾病相关。例如,SRP复合体的突变与综合征性中性粒细胞减少症和家族性无再生性贫血及骨髓发育不良症相关。同样,SEC61复合体中的组分失调与肾脏和肝脏疾病、糖尿病及人类癌症相关。除了SEC61转位复合体,特定信号序列和尾锚定(TA)蛋白的内质网靶向通过内质网膜蛋白复合体(EMC)和引导入TA复合体介导。值得注意的是,靶向序列具有高度的变异性和退化性,已经进化为通过不同的靶向或转位途径将蛋白质导向不同的细胞器。然而,分泌机制如何精确识别、解析和分类这些多样化的靶向序列的具体机制仍不完全清楚。

模式流程图(图片源自Science Advances)P型腺苷三磷酸酶(ATP酶)构成了一个在系统发育上保守的超家族,能够跨膜转运多种底物,包括离子、磷脂质和多胺。其中,P5A-ATP酶(如人ATP13A1)最近被发现作为去位蛋白酶,能够将错误定位的TA蛋白和错误定向的跨膜蛋白从内质网中提取出来,从而防止它们通过内质网相关降解途径被降解。此外,ATP13A1还促进了分泌和膜蛋白的信号序列介导的内质网转运。定量蛋白质组学研究强调了ATP13A1在稳定含有N端内质网靶向信号序列的蛋白质和TA蛋白中的重要作用,其中前者在ATP13A1缺失(KO)小鼠中最为不稳定。生理学研究揭示了P5A-ATP酶在后生动物中通过多种底物发挥多效作用。在线虫中,catp-8(ATP13A1的同源物)null突变影响了神经受体树突发育异常(DMA-1)和形态发生因子Wnt蛋白的内质网转运,扰乱了神经发育和寿命。在小鼠中,ATP13A1对维持抗病毒蛋白MAVS的稳定性至关重要;Atp13a1 KO小鼠表现出生长迟缓和胚胎致死,突显了P5A-ATP酶在生理学中的广泛重要性。此外,人类ATP13A1的低功能突变与发育缺陷相关,包括智力障碍、注意力缺陷多动障碍及面部和指甲异常。然而,现有研究主要集中于ATP13A1 KO细胞中含有N端信号序列的蛋白质的命运及病理学后果,尚未解决ATP13A1如何在生理条件下介导这些蛋白质的内质网转运的问题。在本研究中,作者结合了大规模荧光实验、生化分析、结构生物学和遗传学方法,解析了ATP13A1在信号序列介导的内质网转运中的作用。作者发现,具有异常高疏水核心和/或缺乏N端正电荷残基的非典型信号序列容易发生拓扑错误。这些序列被ATP13A1从内质网膜中去位,随后通过SEC61转位复合体转运到内质网。通过冷冻电子显微镜(Cryo-EM),作者解析了人ATP13A1的多种构象(分辨率为3.40至3.87 Å),揭示了底物结合、特异性及构象转变的关键残基。因此,作者的工作阐明了一个底物特异性的转运通路,确保了高效性和准确性。P5A-ATP酶在真核生物中的进化出现反映了信号序列的复杂性日益增加,信号序列多样化以靶向不同的细胞器。原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1346