過氧化物酶體是由單層膜封閉的細(xì)胞器，幾乎存在于所有真核細(xì)胞中。它們在脂質(zhì)代謝和氧化還原平衡等方面發(fā)揮重要作用。過氧化物酶體對人類健康也是至關(guān)重要的；過氧化物酶體生物發(fā)生的先天缺陷會(huì)導(dǎo)致破壞性的、往往危及生命的疾病，比如Zellweger譜系障礙（Zellweger spectrum）。過氧化物酶體中的酶是在細(xì)胞質(zhì)中制造的，在那里它們被PEX5和相關(guān)的可移動(dòng)受體識別，并由這些受體穿梭運(yùn)輸?shù)竭@種細(xì)胞器中。這些受體如何移動(dòng)蛋白穿過過氧化物酶體的膜一直是一個(gè)長期存在的問題，特別是因?yàn)檫^氧化物酶體可以神秘地輸入折疊的甚至是寡聚的蛋白。這一特性與將蛋白輸入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或線粒體的方式有根本的不同。

將蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到過氧化物酶體中需要一些嵌入到過氧化物酶體膜中的成分，特別是PEX13。在一項(xiàng)新的研究中，來自美國哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員認(rèn)識到，PEX13含有一個(gè)廣泛的非結(jié)構(gòu)化區(qū)域，該區(qū)域富含酪氨酸（Y）和甘氨酸（G）。這個(gè)富含酪氨酸和甘氨酸的YG結(jié)構(gòu)域類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結(jié)構(gòu)域。FG結(jié)構(gòu)域在核孔內(nèi)形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了可溶性分子的通過，但允許核轉(zhuǎn)運(yùn)受體擴(kuò)散通過并將貨物帶入。通過與FG結(jié)構(gòu)域的類比，他們猜測PEX13的YG結(jié)構(gòu)域可能在過氧化物酶體上形成一個(gè)類似的選擇性相（selective phase），輸入受體可以通過該選擇性相讓折疊的蛋白穿過過氧化物酶體膜。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年12月16日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Protein import into peroxisomes occurs through a nuclear pore–like phase”。

這些作者發(fā)現(xiàn)，YG結(jié)構(gòu)域存在于所有類別的真核生物的PEX13蛋白中。他們的分析顯示，該結(jié)構(gòu)域的特點(diǎn)是存在重復(fù)的芳香族氨基酸，主要是酪氨酸，它們被主要由甘氨酸和絲氨酸組成的短柔性接頭彼此分開。酪氨酸殘基對釀酒酵母的過氧化物酶體蛋白輸入至關(guān)重要。不同生物的YG結(jié)構(gòu)在其氨基酸序列和酪氨酸的數(shù)量上有很大的不同，然而盡管有這種多樣性，該結(jié)構(gòu)域在酵母中的功能是可以互換的。YG結(jié)構(gòu)域后面是一個(gè)長的兩性螺旋，他們指出它在真核生物中也是保守的，并且是過氧化物酶體輸入所必需的。

利用二硫化物介導(dǎo)的交聯(lián)，這些作者證實(shí)來自多個(gè)PEX13分子的YG結(jié)構(gòu)域在酵母過氧化物酶體的膜上相互結(jié)合。這種相互作用導(dǎo)致了密集網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，從而排除了較大的可溶性物質(zhì)，如蛋白酶和大體積的分子，但對大小小于2kD的小分子仍具有滲透性。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成及其屏障特性取決于YG結(jié)構(gòu)域內(nèi)的芳香族氨基酸殘基。利用蛋白酶保護(hù)和半胱氨酸修飾實(shí)驗(yàn)，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，PEX13以兩個(gè)相反的方向駐留在過氧化物酶體的膜上，這在膜蛋白中是一個(gè)不尋常的特征。這兩個(gè)方向的PEX13分子都相互結(jié)合，這種相互租用涉及到PEX13蛋白的YG結(jié)構(gòu)域。

過氧化物酶體蛋白的輸入類似于核轉(zhuǎn)運(yùn)。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.adf3971。

最重要的是，這些作者發(fā)現(xiàn)純化的YG結(jié)構(gòu)域形成一種由該結(jié)構(gòu)域的酪氨酸殘基連接在一起的水凝膠。融合了綠色熒光蛋白（GFP）的輸入受體PEX5可以選擇性地進(jìn)入該水凝膠，而單獨(dú)的GFP則不能。PEX5進(jìn)入這種水凝膠需要這種受體靈活的N端區(qū)域中保守的芳香族氨基酸基序WXXXF/Y（其中W是色氨酸，X表示任何殘基）。此外，PEX5還能將貨物蛋白帶入這種YG水凝膠中。將貨物遞送到這種水凝膠中需要這種受體中存在WXXXF/Y基序。

綜上所述，這些作者對完整的酵母膜和合成水凝膠的研究結(jié)果顯示，過氧化物酶體蛋白輸入類似于通過核孔的轉(zhuǎn)運(yùn)。一種密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)---選擇性相---被多個(gè)方向相反的PEX13分子懸浮在過氧化物酶體膜內(nèi)。這個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)穿過膜進(jìn)入過氧物酶體腔室的水通道。這種水通道的壁可能是由PEX13蛋白保守的兩性螺旋組裝而成的。過氧化物酶體輸入受體，如PEX5，可以通過這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)散，并將貨物帶入，利用它們的WXXXF/Y基序，局部溶解將這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固定在一起的內(nèi)聚相互作用。這一機(jī)制解釋了折疊的和低聚的蛋白是如何被輸入到過氧物酶體中的，并代表了一種以前未被確認(rèn)的蛋白跨膜原理。（ Bioon.com）

參考資料：

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