信号假说

一、蛋白质分选概述

1.1 背景

• 真核细胞中绝大多数蛋白质由核基因编码，在细胞质基质的核糖体上合成。
• 蛋白质必须被转运到特定部位（内质网、线粒体、细胞核、溶酶体、细胞外等）才能发挥功能。
• 这一从合成部位到功能部位的定向运输过程称为蛋白质分选。

1.2 核心问题

二、信号假说的发现与提出

2.1 早期观察（1972年，缪斯顿等）

• 骨髓瘤细胞中提取的免疫球蛋白分子，其N端比分泌到细胞外的成熟免疫球蛋白多出一段氨基酸序列。
• 当时原因不明。

2.2 关键实验（非细胞体系研究分泌蛋白）

2.3 结论

• 分泌蛋白进入内质网必须发生在翻译过程中，而非翻译完成后。
• 变短的那段N端序列与进入内质网相关。

2.4 信号假说（Blobel & Sabatini，1975）

1. 信号肽：分泌性蛋白N端的一段序列，指导蛋白质到内质网膜上合成。
2. 共翻译转运：在信号肽引导下，蛋白质边合成边通过易位子进入内质网腔。
3. 信号肽切除：进入内质网腔后，信号肽被蛋白酶切除并降解。

三、共翻译转运的详细分子过程

3.1 起始与信号肽暴露

• 蛋白质在细胞质基质游离核糖体上开始合成。
• 当肽链延伸至约80个氨基酸残基时，N端的信号肽暴露出来。

3.2 信号识别颗粒（SRP）结合

• SRP识别并结合信号肽，导致翻译暂时终止。
• 作用：防止新生肽链N端损伤和提前折叠，维持转运适性状态。

3.3 核糖体-新生链复合物锚定于内质网膜

3.4 易位子对接与SRP释放

• 核糖体-新生链进一步与内质网膜的易位子结合，促使SRP脱离。
• 脱离的SRP返回细胞质，可重复使用。
• SRP脱离后，翻译重新启动。

3.5 肽链跨膜转运

• 信号肽以环化构象与易位子组分结合，打开孔道。
• 信号肽穿入内质网腔，引导后续肽链以半环形式进入腔内。
• 此过程消耗能量。

3.6 信号肽切除与后续合成

• 进入内质网腔后，腔面上的信号肽酶切除信号肽并快速降解。
• 肽链继续延伸，直至完成整个多肽链合成。
• 蛋白质进入内质网腔，此时尚未成熟，需进一步折叠修饰。
• 核糖体释放，易位子关闭。

3.7 共翻译转运的定义

四、后翻译转运

• 定义：在细胞质基质游离核糖体上完成多肽链全合成后，再转运至膜围绕的细胞器。
• 适用对象：线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞核蛋白，以及细胞质基质中的可溶性蛋白和骨架蛋白。

五、膜蛋白的合成与拓扑学决定

5.1 单次跨膜蛋白的形成（N端在内质网腔内）

• 信号肽（起始转移序列）之后，肽链中还存在一段停止转移锚定序列。
• 当停止转移锚定序列进入易位子时，向内质网腔的转移终止，但翻译继续。
• 该序列最终离开易位子，镶嵌于膜上，成为跨膜片段，同时将蛋白质锚定在膜上。
• 结果：形成单次跨膜蛋白，N端位于内质网腔内。

5.2 膜蛋白方向性的决定（N端在细胞质侧）

• 有些膜蛋白含有内在信号锚定序列（不在N端）。
• 该序列两侧氨基酸的电荷分布决定方向：
• 正电荷侧肽链面向细胞质基质；
• 负电荷侧肽链面向内质网腔。
• 内在信号锚定序列兼具起始转移和膜锚定双重功能。

5.3 多次跨膜蛋白的形成

• 蛋白质序列中包含多个起始转移序列和终止转移序列。
• 交替出现，形成两次或多次跨膜结构。

5.4 三类信号序列小结

1. 起始转移序列（信号肽）：指导新生肽链向内质网转移。
2. 内在停止转移锚定序列：终止转移并锚定蛋白质于膜上，自身成为跨膜片段。
3. 内在信号锚定序列：兼具起始转移和膜锚定功能。

六、蛋白质分选的核心机制

6.1 基本原理

• 信号序列（靶向序列）：蛋白质自身携带，决定最终目的地。
• 分选受体：靶细胞器上的识别装置，特异性结合信号序列。
• 两者结合实现精准分选。

6.2 常见信号序列举例

• 内质网信号肽（N端，可切除）
• 线粒体导肽（通常N端，可切除）
• 过氧化物酶体PTS1信号（C端SKL三肽，不切除）
• 核定位信号（NLS）（内部序列，不切除）

6.3 信号序列的命运

七、总结与要点

• 信号假说奠定了蛋白质分选的理论基础，核心是信号肽指导共翻译转运。
• 蛋白质转运分为共翻译转运和后翻译转运两大类。
• 膜蛋白通过额外的停止转移信号或内在信号锚定序列实现跨膜和方向性。
• 蛋白质分选的本质是信号序列与分选受体的特异性识别。