Ο νανοκινητήρας της έκκρισης πρωτεϊνών
Authors: Σάρδης Μάριος-Φραντζέσκος 
Published: September 2021

Περίπου το 1/3 των πρωτεϊνών που παράγονται στο κυτταρόπλασµα ενόςβακτηριακού κυττάρου, έχουν ως τελικό προορισµό εξωκυτταροπλασµατικάδιαµερίσµατα. Ωστόσο, η κυτταροπλασµατική µεµβράνη αποτελεί ένα αδιαπέραστοφράγµα, που συγκρατεί τα µακροµόρια της ζωής διαµερισµατοποιηµένα. Ηδιαπεραίωση των πρωτεϊνών µέσω της κυτταροπλασµατικής µεµβράνης δεν είναιθερµοδυναµικά αυθόρµητη διαδικασία. Για να µπορούν να υλοποιούν αυτή τηνδιαδικασία τα κύτταρα έχουν αναπτύξει τουλάχιστον 16 εκκριτικά συστήµατα. Απόαυτά το Sec σύστηµα, το επίκεντρο αυτής της µελέτης, είναι το µοναδικό πουβρίσκεται σε όλα τα κύτταρα των ζωντανών οργανισµών και είναι απαραίτητο γιατην ζωή.Στα βακτήρια το σύστηµα Sec αποτελείται από το διαµεµβρανικό σύµπλοκο SecY,SecE, SecG (SecYEG), που δηµιουργεί τον δίαυλο µέσω του οποίου εξέρχονται οιπρωτεΐνες, και τον κυτταροπλασµατικό κινητήρα SecA.Οι πρωτεΐνες που προορίζονται για τον χώρο πέρα από την κυτταροπλασµατικήµεµβράνη, συντίθενται σαν προπρωτεΐνες και διαθέτουν µια µικρή (20-30αα)αµινοτελική αµινοξική αλληλουχία που αποκαλείται πεπτίδιο σήµα και αποκόπτεταιµετά την ολοκλήρωση της µετατόπισης τους µέσω του συµπλόκου SecA-SecYEG. Τουπόλοιπο τµήµα της προπρωτεΐνης αποκαλείται ώριµο τµήµα. Η SecA αλληλεπιδράµε τις προπρωτεΐνες στο κυτταρόπλασµα ή αφού έχει προηγουµένως σχηµατίσεισύµπλοκο µε την SecYEG στην µεµβράνη. Στην συνέχεια η SecA καταναλώνειενέργεια (µε την µορφή ΑΤΡ) για να παράγει το απαραίτητο µηχανικό έργο πουχρειάζεται για την ώθηση των προπρωτεϊνών µέσω της SecYEG. Μετά από µερικούςκύκλους υδρόλυσης ΑΤΡ το πεπτίδιο σήµα αποκόπτεται και η πρωτεΐνη πλέον,απελευθερώνεται στον κυτταροπλασµατικό χώρο όπου και παραµένει ή µετακινείταιπεραιτέρω µε την βοήθεια άλλων συστηµάτων.Στόχος της συγκεκριµένης εργασίας ήταν ο προσδιορισµός της περιοχής της SecA µετην οποία αλληλεπιδρούν οι προπρωτεΐνες και του µηχανισµού µε το οποίο αυτή ηαλληλεπίδραση ενεργοποιεί την υδρόλυση του ΑΤΡ και την παραγωγή µηχανικούέργου έκκρισης.Τα αποτελέσµατα της µελέτης µας δείχνουν ότι οι προπρωτεΐνες αλληλεπιδρούν µετην ρηχή κυτταροπλασµατική επιφάνεια της SecA, όταν αυτή βρίσκεται σε σύµπλοκο µε την SecYEG. Τα πεπτίδια σήµατα και τα ώριµα τµήµατα των προπρωτεϊνών έχουνανεξάρτητες θέσεις πρόσδεσης πάνω στην SecA. Η θέση πρόσδεσης του ώριµουτµήµατος βρίσκεται στην κυτταροπλασµατική επιφάνεια που σχηµατίζεται από τις 4περιοχές της SecA, την περιοχή πρόσδεσης του νουκλεοτιδίου (NBD, NucleotideBinding Domain), την περιοχή ενδοµοριακής ρύθµισης της υδρόλυσης του ΑΤΡ-2(IRA2, Intramolecular Regulator of ATP-hydrolysis 2) την περιοχή πρόσδεσης τωνπροπρωτεϊνών (PBD, Preprotein Binding Domain) και την καρβοξυτελική περιοχή(C-domain). Η θέση αλληλεπίδρασης των πεπτιδίων σηµάτων βρίσκεται σε µια ρηχήκοιλότητα που σχηµατίζεται κατά µήκος της PBD. Το ώριµο τµήµα ενδέχεται νααλληλεπιδρά πρώτο µε την SecΑ, καθώς στις περισσότερες προπρωτεΐνες έχει πολύµεγαλύτερο µέγεθος από ο πεπτίδιο σήµα, γεγονός που καθιστά την στοχαστικήπρόσδεση του πιο πιθανή. Η PBD περιστρέφεται και φέρνει τις δυο ανεξάρτητεςθέσεις πρόσδεσης στον κατάλληλο προσανατολισµό για να επιτευχθεί βέλτιστησυνεργατική αλληλεπίδραση της προπρωτεΐνης (πεπτίδιο σήµα και ώριµο τµήµα) µετην SecA.Η αρχική αλληλεπίδραση των προπρωτεϊνών µε το σύµπλοκο SecA-SecYEG, επάγειτην µετάδοση ενός σήµατος ενεργοποίησης, που τελικά οδηγεί στην παραγωγήµηχανικού έργου µετακίνησης της προπρωτεΐνης. Η µετάδοση αυτού του σήµατοςγίνεται µέσω µιας αλληλουχίας δοµικών µεταβολών κατά µήκος της SecA. Αρκετάεπιφανειακά αµινοξικά κατάλοιπα στην PBD συµµετέχουν σε αυτή τηνενεργοποίηση, µέσω της αλληλεπίδρασής τους µε το SecYEG και άλλες πρωτεΐνες.Επιπλέον, η θέση της PBD φαίνεται πως ρυθµίζει την ενεργοποίησης του ολοενζύµουSecA-SecYEG. Ωστόσο, η περιστροφική κίνηση της PBD δεν είναι το µηχανικόγεγονός που οδηγεί στην ώθηση των προπρωτεϊνών µέσω του SecYEG.Ένας επιπλέον µηχανισµός που χρησιµοποιεί η SecA για να ελέγχει τηνενεργοποίηση της είναι η µεταβολή της ολιγοµερικής της κατάστασης. Η SecAαρχικά αλληλεπιδρά µε την SecYEG και τις προπρωτεΐνες και ενεργοποιείται απόαυτές σαν διµερές. Ωστόσο, στην συνέχεια η SecA πρέπει να µονοµεριστεί για ναολοκληρωθεί η παγίδευση και η µετατόπιση της προπρωτεΐνης µέσω του διαύλου πουσχηµατίζει η SecYEG