Una volta sintetizzate le proteine devono lasciare il RE

CI di Biologia Molecolare e Cellulare Prof. Donatella Tramontano Ordinario di Biologia Applicata Ed 19 A II piano Tel. 0817463058-4552

CORRETTO RIPIEGAMENTO Pre requisito per uscire dal RE: CORRETTO RIPIEGAMENTO Le proteine sintetizzate nell’ER assumono spontaneamente la struttura secondaria, quella terziaria, grazie all’enzima disolfuro isomerasi, che da origine da SH a ponti S-S, e vengono glicosilate. La proteina BiP aiuta le altre proteine ad assumere un CORRETTO RIPIEGAMENTO BIP riconosce zone idrofobiche impedendo ai peptidi di legarsi tra di loro. Le proteine ripiegate correttamente non espongono più le zone idrofobiche, BiP si stacca e la proteina prosegue al Golgi.

correttamente Se le proteine non si ripiegano BiP si lega nuovamente e ricomincia il suo ciclo. Se BiP fallisce orienta le proteine malripiegate destinate al proteosoma ad uscire dal ER.

COME ESCONO LE PROTEINE DAL RER?

VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE, VESCICOLE,

Cambio di strategia Il segnale di localizzazione passa dalla singola proteina alla singola vescicola

L’USCITA DAL RER AVVIENE MEDIANTE TRAFFICO VESCICOLARE Figure 13-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

COME si forma il CONTENUTO delle Vescicole? SELEZIONE Secondo il modello «cattura del cargo», le proteine in uscita sono riconosciute da recettori specifici che le concentrano in siti specifici del ER da cui gemmano le vescicole BULK FLOW Secondo il modello «flusso di massa» le proteine escono dal ER come parte del fluido o delle membrane delle vescicole in partenza con modalità indipendenti da recettore

COME SI FORMA UNA VESCICOLA? QUANTI TIPI DI VESCICOLE VI SONO? COME SI DETERMINA SELETTIVITA’ DEL CONTENUTO? COME UNA VESCICOLA RICONOSCE IL BERSAGLIO? COME AVVIENE LA FUSIONE? COME VIENE REGOLATO L’INTERO PROCESSO?

COME SI FORMA UNA VESCICOLA?

The vescicle cocktail: 1-ER Qualcosa da trasportare (solubile o di membrana) qb 1 small Gprotein Qualche adattator qb 1 coat 1 bersaglio 2 snare 1 thatering 1 microtubulo 1-2 motori proteici Segnali e foglie di menta a piacere Agitato e non shekerato Servire a 37°C (Dose for 2 students)

Molti componenti sono necessari per la formazione di una vescicola

Come inizia la formazione delle vescicole Primo step: reclutamento ed attivazione di small GTPase dalla membrana donatrice

Come si forma una vescicola 3. 2. 1. 1. Reclutamento di una small GTPase nella donor membrane (mediato dalla sua GEF) la small GTPase è nella forma GTP-bound 2. La small GTPase attivata media il reclutamento di coat proteins 3. Le subunità del coat legano selettivamente e reclutano I cargo nelle vescicole L’assemblaggio del coat porta a - reclutamento del cargo - curvatura della membrana

LE PICCOLE GTPasi

Come viene attivata una GTPasi? Inattiva GDP GTPasi Pi GDP GTP GAP GEF Attiva GTP GTPasi

Come viene attivata RAB GTPasi? The Rab GEF and GAP cascade. Once RabA inserts into its target membrane, it is activated by its respective GEF (step 1). Activated RabA recruits the GEF for the downstream Rab in the pathway RabB (step 2). GTP-bound RabB performs two functions: it recruits the GAP to inactivate RabA (step 3) as well as the GEF for the downstream Rab, RabC (step 4). Activated RabC now recruits the GAP that inactivates RabB (step 5). The concomitant action of GAPs and GEFs ensures the boundaries of each membrane compartment, determined by the actions of their associated Rab, are well-defined.

Tre tipi di proteine di rivestimento intervengono nel traffico vescicolare COPII COPI CLATRINA

Due tipi di proteine di rivestimento intervengono nel traffico vescicolare ER-GOLGI-ER

COPII Sec23p/Sec24p eterodimero Sec13p/Sec31p eterotetradimero Sar1-GTPasi Sec12, a transmembrane protein found in the ER acts as a Guanine nucleotide exchange factor by stimulating the release of GDP to allow the binding of GTP.

COPICoatomer

COPI

Figure 13-13b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Tre tipi di proteine di rivestimento intervengono nel traffico vescicolare RER COPI GOLGI cis trans clatrina IC endosoma COPII COPI clatrina lisosoma microtubuli

La fissione delle vescicole COPI e COPII

LE VESCICOLE RICOPERTE DI CLATRINA

Struttura di una vescicola rivestita di clatrina

Clathrin “pits” in the membrane where budding is initiated. The triskelion structure of clathrin

Formazione di una vescicola rivestita di clatrina Proteine di membrana Vescicola di clatrina

LE ADAPTINE mediano la formazione delle clathrin-coated pits, interagendo con receptors membrane-bound Vi sono molti diversi tipi di adattine ognuno relato ad uno specifico gruppo di recettori di membrana. La somiglianza nelle sequenze di adattine e COP 1 fanno pensare ad una origine evolutiva comune. Le adattine si aggregano a formare il complesso AP2 . Un eterotetramero di due adattine grandi (alpha or beta), una media (mu), ed una piccola (sigma) complex 1 AP1B1 AP1G1 AP1G2 AP1M1 AP1M2 AP1S1 AP1S2 AP1S3 complex 3 AP3B1 AP3B2 AP3M1 AP3M2 AP3S1 AP3S2 complex 2 AP2A1 AP2A2 AP2B1 AP2M1 AP2S1 complex 4 AP4B1 AP4E1 AP4M1 AP4S1

PROTEINE ACCESSORIE

Il rivestimento serve anche a selezionare il carico della vescicola infatti le proteine di rivestimento interagiscono con il recettore specifico mediante le adattine

Dopo il distacco dalla sito donatore la vescicola si dirige lungo i Microtubuli verso il sito accettore e intanto perde il coat L’uncoating è mediato da specifiche RAB La perdita del coat scopre le proteine chiave per la fusione

PROTEINE MOTRICI

PROTEINE MOTRICI Motori molecolari Si associano alle fibre polarizzate del citoscheletro Usano l’energia derivata dall’idrolisi dell’ATP per muoversi lungo di esse Si differenziano per il filamento a cui si attaccano, per la direzione in cui si muovono e per il cargo che portano Trasporto di componenti subcellulare (organelli, cromosomi…) Conferiscono forza alla rete dei polimeri: determinano la forma della cell dopo aver svolto l’azione motoria possono staccarsi dal filamento. DUE REGIONI: Testa: dominio motore (idrolisi dell’ATP) Coda: autoassemblaggio delle prot motrici; associazione al “cargo” Dà specificità ai diversi tipi di motore Spostamento del motore sul filamento (quando il filamento è ancorato) o del filamento stesso per mezzo dei motori (quando i motori soni ancorati).

Tipi principali di proteine motrici: Miosina Chinesina Dineina

Chinesina (microtubuli) proteina motrice identificata nell’assone gigante di seppia composta da 2 catene pesanti e 2 leggere (2 domini motori globulari e un coiled-coil allungato responsabile della dimerizzazione) Motore N-terminale; movimento in direzione + KRP coinvolta nel trasporto anterogrado (trasporto assonale veloce) di molecole (RE), dal corpo cellulare, verso la terminazione dell’assone

PROPRIETA’ DELLE CHINESINE passo = 8 nm forza = 6 pN 3 tipi: N - motore N-terminale >>> estremità + M - motore centrale >>> estremità + C - motore C terminale >>> estremità - 2 classi: chinesine citosoliche KIF1A, KIF1B chinesine del fuso CENP-E, ncd, BimC

Ciclo della Chinesina Chinesina: 50% lega; 50 % non lega il MT durante il ciclo di H-lisi dell’ATP Attacco dell’ATP alla testa della chinesina che lega il MT spinge in avanti la seconda testa (legata all’ADP) La seconda testa lega il MT L’H-lisi dell’ATP su una testa e il distacco del’ADP sull’altra riporta alla conformazione iniziale ma con le teste invertite e con uno spostamento spaziale

Miosina vs chinesina Miosina: Chinesina: passo singolo ma lungo Ciclo rapido Opera come un fascio Chinesina: Passi multipli, ma brevi Ciclo più lento Opera come unità singola 52

PROPRIETA’ DELLE DINEINE peso molecolare elevato funzionano insieme a MBP 2 classi: dineine citosoliche dineine dell’assonema

Dineine (microtubuli) composte da 2 o 3 catene pesanti (comprendono il dominio motore) e un numero grande e variabile di catene leggere associate si muovono verso l’estremità (-) dei microtubuli coinvolte nel trsaporto retrogrado di molecole (Golgi) o organelli racchiusi in vescicole dalla terminazione, verso il corpo cellulare del neurone DINEINE CITOPLASMATICHE: omodimeri di catene pesanti con 2 grandi domini motori come teste DINEINE ASSONEMALI: eterodimeri ed eterotrimeri con 2 o 3 domini di testa; coinvolte nello spostamento veloce di microtubuli nelle ciglia 54

DINEINE ASSONEMALI: eterodimeri ed eterotrimeri con 2 o 3 domini di testa; coinvolte nello spostamento veloce di microtubuli nelle ciglia Axonemal dyneins in Chlamydomonas flagella

MODELLO PER L’ATTACCO DI DINEINA AD UN ORGANELLO La dineina richiede l’associazione con dinactina (complesso proteicoche comprende un filamento simile all’actina che interagisce con complessi proteici presenti sulle membrane degli organelli) per svolgere la sua funzione REGOLAZIONE: fosforilazione, cAMP….

Come le vescicole riconoscono e legano il sito accettore?

Ci sono proteine specifiche sia sulla vescicola che sul sito accettore che giocano un ruolo chiave nella fusione le SNARE

SNARES SNARE acronimo da "SNAP (Soluble NSFAttachment Protein) REceptor") NSF: enzima N-ethylmaleimide-sensitive factor, anche NSF or N-ethylmaleimide sensitive fusion proteins

V-SNARE T-SNARE Rab

TETHERING Attracco ancoraggio 3-Proteine coleid-coil Il termine tethering factors indica un gruppo eterogeneo di proteine cellulari responsabile del legame iniziale delle vescicole di trasporto con le membrane bersaglio prima della loro fusione. Fino a poco tempo fa i tethering factors venivano divisi in due classi: complessi multi-subunità e coleid-coil proteine. Attualmente sono state individuate tre differenti classi funzionali: 1-Complessi oligomerici che legano le SNARE e che tipicamente agiscono come effettori RAB ( DCGE ) 2-Complessi oligomerici che funzionano come fattori di scambio guanina-nucleotide per le RAB (GEF) 3-Proteine coleid-coil Attracco ancoraggio

Rab6 (blue) and Arl1 (gray) cooperate to bind GCC185 (green), a vesicle- transporting tether. GM130 and/or Giantin binding may trigger a conformation change in p115, revealing a Rab1 binding site.

FUSIONE

2) The protein pore model: to suggest that SNARE protein pairs interact and form “pore” or channel-like structure that initiates that fusion process so that the vesicle contents are not “spilled”. Summary: Coat is to specify cargo and SNARE is to match the cargo with the location.

Rab 27 Rab 3 Rab 8 Regolano la secrezione

A cycle of vesicle budding and fusion Sorting information: Membrane proteins sorting signal is contained in the protein Soluble proteins Soluble cargo protein binds to a transmembrane receptor that contains a sorting signal.

DOVE SONO LOCALIZZATE LE Rab ?

TRA RER E APPARATO DI GOLGI ESISTE UN COMPARTIMENTO INTERMEDIO IC ERGIC SALVAGE COMPARTMENT CGN EXOSOME

Il cluster tubolare vescicolare, indicato anche come ERGolgi intermediate compartment (ERGIC), media il traffico tra il reticolo endoplasmatico e complesso di Golgi, facilitando lo smistamento dei cargo. Scoperto nel 1984, il comparto è stato definito per la posizione di come la posizione della lectina di membrana mannosio specifica ERGIC 53. Vescicole COPII che escono dai siti di uscita del RE perdono il loro rivestimento e si fondono per formare il cluster tubolare vescicolare che sposta il suo contenuto nel cis Golgi.

PS: Non tutto deve lasciare il RE Ma per restarci prima deve andare nel Golgi

COME VENGONO TRATTENUTE LE PROTEINE RESIDENTI? SEGNALI DI RITENZIONE NEL LUME DEL RER: KDEL C-TERMINALE SEGNALI DI RITENZIONE NELLA MEMBRANA: KKXX XXRR KXKXX C-TERMINALE N-TERMINALE

LA SEQUENZA KDEL E’ UN SEGNALE DI RITENZIONE NEL RER PDI ratto QKAVKDEL topo QKAVKDEL uomo QKAVKDEL pollo QKAVKDEL BiP ratto DTSEKDEL topo DTSEKDEL uomo DTAEKDEL pollo EAAEKDEL CALRETICULINA coniglio RRQAKDEL topo PAQAKDEL

What happens to proteins that have “escaped” the ER? Retrieval signals: Proteins that predominantly function in the ER (such as BiP) contain retrieval signals (eg KDEL) recognized by a receptor mediate retrieval of escaped protein.

KISS AND RUN

Il GOLGI

Ciascuna pila del Golgi ha due facce distinte: cis (di entrata) e trans (di uscita)

I componenti osservabili dal punto di vista ultrastrutturale nell’apparato di Golgi: cisterne appiattite in pila microvescicole (vescicole di trasporto) macrovescicole (vescicole di secrezione) Il complesso di Golgi presenta anche una polarità interna anche a livello delle singole cisterne. Si possono quindi distinguere, in funzione anche dell’attività enzimatica e di sintesi: faccia cis: detta anche faccia prossimale faccia trans: detta anche faccia distale

La composizione biochimica delle cisterne è differente: verso la parte prossimale o cis la membrana è ricca di lecitine verso la parte distale la membrana possiede parecchie sfingomieline e steroli, divenendo simile alla membrana plasmatica, con la quale le vescicole rilasciate dovranno fondersi

Ogni pila di cisterne dell’apparato di golgi è costituita da tre differenti compartimenti, ognuno dotato di uno specifico corredo enzimatico che catalizza le varie fasi di elaborazione delle glicoproteine giunte dal RER: cis mediano trans   Questi tre compartimenti constano di una o due cisterne ciascuno e sono in rapporto tra loro mediante il distacco di vescicole laterali: le vescicole gemmano dai margini della cisterna e si fondono con la cisterna adiacente trasportano glicoproteine a differente stadio di elaborazione Nel Golgi si osservano sono due tipi di vescicole: vescicole transfer vescicole secretorie

È più plausibile la teoria che le cisterne si scambino materiale attraverso vescicole piuttosto che il ricambio di materiale avvenga per trasformazione di un compartimento nei suoi vari stadi: le vescicole arrivano dagli organuli nel compartimento cis vengono elaborate e passate nel mediano attraverso piccole vescicole (laterali) vengono ulteriormente elaborate e passate al compartimento trans.

Il complesso di Golgi è la sede in cui vengono convogliati e rielaborati i materiali sintetizzati nel  RER e nel REL, inoltre attua specifiche attività di sintesi di polisaccaridi e lipidi complessi.   Tutte le funzioni e la struttura dell’apparato di Golgi sono sotto il controllo diretto del nucleo: in corso di digiuno o di un inibitore della trascrizione le funzioni del Golgi si riducono considerevolmente (in relazione alla sintesi proteica effettuata)

Ogni compartimento del Golgi contiene enzimi differenti quindi ha una precisa competenza biochimica. Questa compartimentazione rende possibile la simultanea elaborazone di tre tipologie di prodotti: quelli destinati ai lisosomi quelli secreti attraverso i granuli di secrezione quelli destinati al rinnovo dei componenti della membrana plasmatica

Le principali funzioni del Golgi trasporto sorting trasformazione impacchettamento

GLICOSILAZIONE DELLE PROTEINE La maturazione delle proteine sintetizzate avviene preliminarmente nel RER e si completa nel Golgi, comprendendo una fase detta di glicosilazione la glicosilazione aggiunge catene laterali di carboidrati a specifici residui amminoacidici delle proteine esistono due tipi di glicosilazione: la glicosilazione legata ad azoto (N-glicosilazione) la glicosilazione legata ad ossigeno ( O-glicosilazione)

Modifications on the N-glycosilation pattern cis-Golgi: mannose-type oligosaccharides complex oligosaccharides TGN: substitution with sialic acids - negatively charged

Tra glicosilazione nel ER e nel Golgi c’è una differenza fondamentale: -nel reticolo endoplasmatico la glicosilazione è un evento "seriale", che non varia al variare del substrato, -nel Golgi ogni specifica proteina viene riconosciuta e modificata in base alla futura funzione. Si possono osservare infatti rimozioni o aggiunte di singoli zuccheri o di catene più lunghe la specificità delle singole catene glucidiche è il meccanismo utilizzato dalla cellula per lo smistamento delle proteine alle varie sedi di destinazione (lisosomi, membrana, perossisomi).

Le proteine che hanno subito sia la glicosilazione che il primo rimaneggiamento nel ER trasportate nel Golgi,subiscono una sequenza ordinata di importanti cambiamenti. L’oligosaccaride attaccato in N nell’ER viene modificato: Una mannosidasi stacca 3 mannosi e degli zuccheri attaccati nell’ER restano solo 2 acetil glucosammine 5 mannosi

O-glicosilazione La O-glicosilazione è un processo altamente specifico, che si svolge completamente nell'apparato del Golgi Singoli zuccheri vengono legati uno per volta al peptide a livello dell'atomo di ossigeno delle catene laterali di serina o treonina. Solitamente il numero di zuccheri legati durante questo processo è limitato a pochi residui.

In O-glycans oligosaccharides are attached to a hydroxyl group of: Serine or threonine ; then the first sugar residue is usually N-Acetylgalactosamine (GalNAc). Less commonly, galactose, mannose or xylose form O-glycosidic bonds with Ser or Thr. Although most cytosolic and nuclear proteins are not glycosylated, when they are, a single N-Acetylglucosamine residue is linked to the Ser or Thr hydroxyl group. These exceptions include some nuclear-pore complex proteins and some transcription factors. Hydroxylysine (Hyl); it is glycosylated by the attachment of single Gal residue or glucosylgalactose disaccharide. Hydroxyproline (Hyp); arabinose residue is linked to it. Hyl and Hyp residues occur only in collagens. O-linked oligosaccharides are generally short (1-4 sugar residues). But for example o-glycans of ABO blood group antigens are longer. The longest O-linked carbohydrate chains occur in proteoglycans. They contain up to 1000 disaccharide units.

Glycophosphatidylinositol (GPI) membrane anchors are attached to polypeptide chain through an amide bond between mannose-6-phosphoethanolamine and the C-terminal carboxyl group :

… e poi ci sono e proteine destinate al lisosoma sono caratterizzate dalla presenza di un gruppo specifico, il mannosio-6-fosfato (M6P), che serve a farle riconoscere da un recettore specifico presente sul trans-Golgi. MANNOSIO fosfotrasferasi UDP-GlcNAc UMP MAN-6-P-GlcNAc MAN-6-P fosfoglicosidasi GlcNAc PROTEINA L’M6P è aggiunto agli oligosaccaridi legati all’asparagina, nel reticolo cis del Golgi.

FOSFORILAZIONE DI ENZIMI LISOSOMIALI

I recettori sono riciclati verso il trans Golgi. Il recettore è una proteina transmembrana localizzata sul trans Golgi. L’unione con l’idrolasi inizia la formazione di vescicole rivestite di clatrina, e si verifica a pH 7. Le idrolasi si dissociano dai recettori negli endosomi tardivi a pH 6. I recettori sono riciclati verso il trans Golgi.

Lisosomi Svolgono la funzione di “sistema digestivo” della cellula, degradando sia materiale trasportato dall’esterno della cellula, che componenti cellulari non più utili. Tutti gli enzimi dei lisosomi sono idrolasi acide, attive al pH acido dei lisosomi (circa 5.0) ,ma non al pH neutro del citoplasma (7,2). Questo meccanismo protegge la cellula dalla eventuale rottura della membrana del lisosoma. Infatti le idrolasi rilasciate sarebbero inattive al pH neutro del citosol IDROLASI ACIDE: Nucleasi, Proteasi, Glicosidasi, Lipasi, Fosfatasi, Solfolipasi Fosfolipasi

Per mantenere acido il ph al loro interno i lisosomi devono attivamente concentrare ioni H+. Ciò è assicurato dalla presenza nella membrana di una pompa protonica, che trasporta attivamente protoni dal citosol nei lisosomi. L’attività di questa pompa richiede consumo di energia che è fornita da idrolisi di ATP per mantenere nei lisosomi una concentrazione di H+ circa 100 volte più alta rispetto al citosol LISOSOMA Idrolasi acide pH 5 H+ CITOSOL ATP ADP H+ pH 7

Nei lisosomi convergono le sostanze che devono essere digerite ad opera delle idrolasi lisosomali Vie per arrivare al lisosoma: Autofagia (ER si trasforma in lisosoma) Fagocitosi Endosoma precoci e tardivi Alcune proteine sono trasportate nel lisosoma direttamente con l’uso di un segnale lisosomale: KFERQ (Lys, Phe, Glut, Arg, glutammina)

FAGOCITOSI Cellule specializzate nella degradazione di particelle di grandi dimensioni e di microrganismi (es. macrofagi), fagocitano al loro interno queste particelle formando un FAGOSOMA, il quale si fonde con un lisosoma assicurando la digestione del contenuto. I lisosomi derivati da questo processo prendono il nome di FAGOLISOSOMI e possono essere di varie forme e dimensioni, in base al tipo di materiale fagocitato. Le sostanze indigeribili permangono nei lisosomi quali corpi residui.

AUTOFAGIA Rappresenta la via degradativa degli organuli cellulari. Essi vengono inglobati in membrane derivanti dal RE e la vescicola così formata ( AUTOFAGOSOMA), si fonde con un lisosoma , degradando il proprio contenuto

MALATTIE LISOSOMIALI DA ACCUMULO Gravi malattie genetiche causate dal difetto di enzimi che hanno il compito di degradare diverse molecole all’interno della cellula. I composti non degradati si accumulano nei lisosomi e ne alterano la funzione. CLASSIFICAZIONE MUCOPOLISACCARIDOSI OLIGOSACCARIDOSI SFINGOLIPIDOSI Hanno un decorso progressivo che porta al deterioramento delle funzioni vitali. Molte di esse sono letali. Ereditate come m.autosomiche recessive, si presentano con una frequenza di 1/5000 nati vivi.

MALATTIA DI FABRY La malattia di Fabry, nota anche come malattia di Anderson-Fabry, è una malattia ereditaria multisistemica del metabolismo degli sfingolipidi. E’ una patologia legata al cromosoma X, causata da mutazioni a carico del gene codificante per l’enzima alfa-galattosidasi A che alterano o aboliscono l'attività enzimatica.

I-cell disease MALATTIA DI HURLER La sindrome è dovuta a mutazioni del gene IDUA che esitano nella totale assenza dell'enzima alfa L-iduronidasi e nell'accumulo nei lisosomi di dermatan solfato ed eparan solfato. La trasmissione è autosomica recessiva. L'incidenza della malattia risulta un caso su 100.000 persone I-cell disease I substrati delle idrolasi si accumulano non digeriti nel lisosomi, per cui si formano inclusioni nelle cellule. Le idrolasi alterate sfuggono ai lisosomi, sono secrete dalla via di default e si accumulano nel sangue: il difetto è dovuto alla mancanza o al difetto di una fosfotransferasi GlcNAc. Le idrolasi sono secrete.