Signaalpeptide

Een signaalpeptide (ook wel signaalsequentie of lokaliseringssequentie genoemd) is een korte peptideketen, gewoonlijk 16–30 aminozuren lang,^[1] die voorkomt aan de N-terminus (begin) van veel nieuw gesynthetiseerde secretie-eiwitten.^[2] Secretie-eiwitten zijn eiwitten die vrijkomen uit (klier)cellen, een rol spelen in organellen zoals het endoplasmatisch reticulum en golgiapparaat, en in celmembranen worden ingebouwd. Signaalpeptiden zorgen ervoor dat deze eiwitten naar hun juiste bestemming worden vervoerd. Bij aankomst worden de signaalpeptiden gewoonlijk afgesplitst.

Signaalpeptiden komen voor op zogenaamde type I-membraaneiwitten.^[a] Bij de membraaneiwitten type II en type III is geen echt signaalpeptide aanwezig: daar fungeert het voorste transmembraandomein als signaalsequentie. Een transmembraandomein lijkt biochemisch gezien op een signaalpeptide, afgezien van het feit dat het niet wordt afgesplitst. Transmembraandomeinen zijn vergelijkbaar met specialistische peptiden die een eiwit naar zijn doel vervoeren (target peptides).

Signaalpeptiden hebben als functie een cel ertoe aan te zetten een eiwit te transporteren (transloceren), naar een specifieke bestemming, gewoonlijk het celmembraan. In prokaryoten sturen signaalpeptiden het nieuw gesynthetiseerde eiwit naar het zogenaamde SecYEG-eiwitkanaal, dat aanwezig is in hun membraan. In eukaryoten bestaat een soortgelijk systeem, waarbij het signaalpeptide het nieuw gesynthetiseerde eiwit naar het Sec61-kanaal stuurt, dat qua structuur en sequentie homologie vertoont met een SecYEG-kanaal, maar in het endoplasmatisch reticulum aanwezig is.^[3] Zowel de SecYEG- als de Sec61-kanalen worden gewoonlijk de translocon genoemd; de doorvoer via dit kanaal staat bekend als translocatie. Wanneer secretie-eiwitten zich door het kanaal verplaatsen, kunnen transmembraandomeinen via een doorgang (naast het translocon) diffunderen om zich in het omringende membraan te vestigen.

Het middengedeelte van een signaalpeptide bevat een lange reeks hydrofobe aminozuren (ongeveer 5-16 residuen lang).^[b] Dit middengedeelte heeft de neiging om een alfa-helixstructuur aan te nemen en wordt de "h-regio" genoemd.^[4] Het begin van een signaalpeptide bestaat vaak uit een aantal positief geladen aminozuren die een rol spelen bij het tot stand brengen van de juiste topologie van het polypeptide tijdens translocatie: de positive-inside rule.^[5] Omdat dit gedeelte van het signaalpeptide dicht bij de N-terminus ligt, wordt dit de "n-regio" genoemd.

Aan het einde van het signaalpeptide bevindt zich een kenmerkend stuk vaak polaire aminozuren dat door signaalpeptidase wordt afgesplitst: de splitsingsplaats (cleavage site). Deze splitsingsplaats is afwezig in transmembraandomeinen die dienen als signaalpeptiden; deze worden soms signaalankersequenties genoemd. Signaalpeptidase kan tijdens of na voltooiing van translocatie het signaalpeptide afsplitsen van de rest van het eiwit.^[6] De vrijgekomen signaalpeptide worden vervolgens door specifieke proteasen afgebroken.

Signaalpeptiden brengen het eiwit altijd naar een specifieke cellulaire bestemming. Een signaalpeptide dat gericht is naar het mitochondrium vertoont een alternerend patroon van kleine, positief geladen en hydrofobe stukken en verschilt in lengte en structuur van andere signaalpeptiden. Op de celkern gerichte signaalpeptiden kunnen op zowel de N-terminus als de C-terminus van een eiwit voorkomen en worden in de meeste gevallen niet van het eiwit afgesplitst.

Het is mogelijk om de aminozuurvolgorde van een N-terminale signaalpeptide te bepalen met behulp van Edman-degradatie, een iteratieve procedure waarin de aminozuren een voor een worden afgesplitst.^[7] Uit dergelijke onderzoeken blijkt dat zowel de aminozuurvolgorde als de lengte van signaalpeptiden enorm variëren tussen soorten.

In zowel prokaryoten als eukaryoten kunnen signaalpeptiden co-translationeel of post-translationeel werken, respectievelijk tijdens of na de translatie.

De co-translationele route wordt in gang gezet wanneer het signaalpeptide uit het ribosoom vrijkomt en wordt herkend door het signaalherkenningsdeeltje (signal-recognition particle, SRP).^[8] SRP stopt dan verdere translatie (deze translationele stopprocedure treedt alleen op bij eukaryoten) en stuurt het signaalsequentie-ribosoom-mRNA-complex naar de SRP-receptor, die aanwezig is op het oppervlak van ofwel het plasmamembraan (in prokaryoten) of het ER (in eukaryoten).^[9] Zodra het complex aan een specifieke receptor op het membraanoppervlak bindt, wordt het signaalpeptide in het naastgelegen translocon ingevoegd. Ribosomen worden dan fysiek gekoppeld aan de intracellulaire kant van het translocon en de eiwitsynthese wordt vervolgd.^[10]

Het post-translationele traject wordt pas ingezet nadat de eiwitsynthese is voltooid. In prokaryoten wordt de signaalsequentie van post-translationele substraten herkend door het SecB chaperone-eiwit dat het eiwit naar het SecA ATPase overbrengt, dat op zijn beurt het eiwit door de translocon pompt. Hoewel bekend is dat posttranslationele translocatie ook plaatsvindt in eukaryoten, wordt dit proces nog slecht begrepen. Het is echter wel bekend dat posttranslationele translocatie in gist naast de translocon 2 extra membraangebonden eiwitten vereist: Sec62 en Sec63.^[11]

Signaalpeptiden zijn extreem heterogeen en veel prokaryotische en eukaryote signaalpeptiden zijn functioneel uitwisselbaar, zelfs tussen verschillende soorten. De efficiëntie van eiwitsecretie wordt sterk bepaald door de aanwezigheid van een signaalpeptide.^[12][13]

In gewervelden kan het gedeelte van het mRNA dat codeert voor het signaalpeptide (de signaalsequentie coderende regio of SSCR) functioneren als een RNA-fragment met specifieke activiteiten. SSCR's bevorderen enerzijds de export van mRNA vanuit de celkern en anderzijds de juiste lokalisatie naar het oppervlak van het endoplasmatisch reticulum. Bovendien hebben SSCR's specifieke sequentiekenmerken: ze bevatten nauwelijks adenine-nucleotiden, zijn verrijkt met bepaalde sequentiemotieven en zijn onverwacht vaak aanwezig in het eerste exon (het coderende deel van een gen).^[14][15]

Eiwitten zonder signaalpeptiden kunnen ook worden afgescheiden, namelijk via ongebruikelijke mechanismen; voorbeelden daarvan zijn Interleukine en Galectine.^[16] Het secretieproces waarmee dergelijke secretoire eiwitten worden afgescheiden naar de extracellulaire vloeistof, heeft men unconvetional protein secretion (onconventionele eiwitsecretie) (UPS) genoemd. In planten kan zelfs 50% van de uitgescheiden eiwitten UPS-afhankelijk zijn.^[17]

• Eiwitlokalisatie