Science：揭示过氧化物酶体蛋白输入机制

过氧化物酶体是由单层膜封闭的细胞器，几乎存在于所有真核细胞中。它们在脂质代谢和氧化还原平衡等方面发挥重要作用。过氧化物酶体对人类健康也是至关重要的；过氧化物酶体生物发生的先天缺陷会导致破坏性的、往往危及生命的疾病，比如Zellweger谱系障碍（Zellweger spectrum）。过氧化物酶体中的酶是在细胞质中制造的，在那里它们被PEX5和相关的可移动受体识别，并由这些受体穿梭运输到这种细胞器中。这些受体如何移动蛋白穿过过氧化物酶体的膜一直是一个长期存在的问题，特别是因为过氧化物酶体可以神秘地输入折叠的甚至是寡聚的蛋白。这一特性与将蛋白输入内质网或线粒体的方式有根本的不同。

将蛋白转运到过氧化物酶体中需要一些嵌入到过氧化物酶体膜中的成分，特别是PEX13。在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院的研究人员认识到，PEX13含有一个广泛的非结构化区域，该区域富含酪氨酸（Y）和甘氨酸（G）。这个富含酪氨酸和甘氨酸的YG结构域类似于存在于核孔中的核孔蛋白的富含苯丙氨酸（F）和甘氨酸（G）的FG结构域。FG结构域在核孔内形成一个网状结构，限制了可溶性分子的通过，但允许核转运受体扩散通过并将货物带入。通过与FG结构域的类比，他们猜测PEX13的YG结构域可能在过氧化物酶体上形成一个类似的选择性相（selective phase），输入受体可以通过该选择性相让折叠的蛋白穿过过氧化物酶体膜。相关研究结果发表在2022年12月16日的Science期刊上，论文标题为“Protein import into peroxisomes occurs through a nuclear pore–like phase”。

这些作者发现，YG结构域存在于所有类别的真核生物的PEX13蛋白中。他们的分析显示，该结构域的特点是存在重复的芳香族氨基酸，主要是酪氨酸，它们被主要由甘氨酸和丝氨酸组成的短柔性接头彼此分开。酪氨酸残基对酿酒酵母的过氧化物酶体蛋白输入至关重要。不同生物的YG结构在其氨基酸序列和酪氨酸的数量上有很大的不同，然而尽管有这种多样性，该结构域在酵母中的功能是可以互换的。YG结构域后面是一个长的两性螺旋，他们指出它在真核生物中也是保守的，并且是过氧化物酶体输入所必需的。

利用二硫化物介导的交联，这些作者证实来自多个PEX13分子的YG结构域在酵母过氧化物酶体的膜上相互结合。这种相互作用导致了密集网状结构的形成，从而排除了较大的可溶性物质，如蛋白酶和大体积的分子，但对大小小于2kD的小分子仍具有渗透性。这种网状结构的形成及其屏障特性取决于YG结构域内的芳香族氨基酸残基。利用蛋白酶保护和半胱氨酸修饰实验，他们进一步发现，PEX13以两个相反的方向驻留在过氧化物酶体的膜上，这在膜蛋白中是一个不寻常的特征。这两个方向的PEX13分子都相互结合，这种相互租用涉及到PEX13蛋白的YG结构域。

过氧化物酶体蛋白的输入类似于核转运。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.adf3971。

最重要的是，这些作者发现纯化的YG结构域形成一种由该结构域的酪氨酸残基连接在一起的水凝胶。融合了绿色荧光蛋白（GFP）的输入受体PEX5可以选择性地进入该水凝胶，而单独的GFP则不能。PEX5进入这种水凝胶需要这种受体灵活的N端区域中保守的芳香族氨基酸基序WXXXF/Y（其中W是色氨酸，X表示任何残基）。此外，PEX5还能将货物蛋白带入这种YG水凝胶中。将货物递送到这种水凝胶中需要这种受体中存在WXXXF/Y基序。

综上所述，这些作者对完整的酵母膜和合成水凝胶的研究结果显示，过氧化物酶体蛋白输入类似于通过核孔的转运。一种密集的网状结构---选择性相---被多个方向相反的PEX13分子悬浮在过氧化物酶体膜内。这个网状结构提供了一个穿过膜进入过氧物酶体腔室的水通道。这种水通道的壁可能是由PEX13蛋白保守的两性螺旋组装而成的。过氧化物酶体输入受体，如PEX5，可以通过这种网状结构进行扩散，并将货物带入，利用它们的WXXXF/Y基序，局部溶解将这种网状结构固定在一起的内聚相互作用。这一机制解释了折叠的和低聚的蛋白是如何被输入到过氧物酶体中的，并代表了一种以前未被确认的蛋白跨膜原理。（ Bioon.com）

参考资料：

Yuan Gao et al. Protein import into peroxisomes occurs through a nuclear pore–like phase. Science, 2022, doi:10.1126/science.adf3971.