D.Nikolopoulou, Department of Molecular Biology and Genetics, Dimocritus University of Thrace, Alexandroupoli, Greece, January 2020 Cellular Biology project, 3rd semester

1. Διαλογή των πρωτεϊνών με
στόχο τα Υπεροξεισώματα
Κυτταρική Βιολογία, 3ο εξάμηνο 2020
● Δροσούλα Νικολοπούλου (2038)

2. Περιεχόμενα
● Υπεροξεισώματα (Υπεροξειδιοσώματα)
● Ενδοκυτταρική διαλογή πρωτεϊνών
● Στόχευση των πρωτεϊνών προς τα υπεροξεισώματα μέσω μη εκκριτικού
μονοπατιού
● Στόχευση των πρωτεϊνών προς τα υπεροξεισώματα μέσω εκκριτικού
μονοπατιού

3. Υπεροξεισώματα
● οργανίδια στο κυτταρόπλασμα όλων των ευκαρυωτικών κυττάρων
● μέγεθος 0.1-1μm και σφαιρικό σχήμα
● περιβάλλονται από λιπιδική διπλοστιβάδα
● δε φέρουν γενετικό υλικό
● φέρουν μεγάλη περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες
● χαρακτηρίζονται ως κέντρα αποτοξίνωσης του κυττάρου
● ο κύκλος ζωής τους θεωρείται ότι είναι η αύξηση και η διαίρεση
● σε de novo συνθήκες προκύπτουν από σύντηξη κυστιδίων

4. Βασικές λειτουργίες υπεροξεισωμάτων
● χρήση του Ο2 για την αναγωγή μορίων και παραγωγή Η2Ο2
● χρήση του Η2Ο2 για την οξείδωση μορίων (καταλάση)
● β-οξείδωση λιπαρών οξέων μακράς αλύσου προς δημιουργία ακέτυλο-
συνενζύμου-Α
● βιοσύνθεση πλασμαλογόνων (κύριο φωσφολιπίδιο μυελίνης)
● α-οξείδωση φυτανικού οξέος
● συμβολή στο μονοπάτι παραγωγή της χοληστερόλης στα ζωικά κύτταρα
● καταβολισμός πουρινών και πολυαμινών
● συμμετοχή σε μονοπάτια ανταπόκρισης στο στρες
● αντιικές δράσεις

5. Ενδοκυτταρική διαλογή πρωτεϊνών
● η σωστή λειτουργία μίας πρωτεϊνης εξασφαλίζεται από: 1. την ορθή δομή της
και 2. τη δράση της στο κατάλληλο περιβάλλον
● τα ευκαρυωτικά και τα προκαρυωτικά κύτταρα διαχωρίζονται από το
εξωκυττάριο περιβάλλον μέσω μεμβρανών
● το ευκαρυωτικό κύτταρο υποδιαιρείται σε τουλάχιστον 10 υποκυτταρικούς
χώρους
● όλες οι πρωτεΐνες παράγονται στο κυτταρόπλασμα (και στο ενδοπλασματικό
δίκτυο στην περίπτωση των ευκαρυωτών)
➢ απαραίτητο κάποιο σύστημα διαλογής/στόχευσης

6. Ενδοκυτταρική διαλογή πρωτεϊνών
● τα μονοπάτια που μπορεί να ακολουθήσει μία πρωτεΐνη στο σύστημα
διαλογής: 1. παραμονή στο κυτταρόπλασμα
2.εκκριτικό μονοπάτι
3. μη εκκριτικό μονοπάτι
● ο τελικός στόχος κάθε πρωτεΐνης στο σύστημα διαλογής καθορίζεται:
1.από την αλληλουχία σήματος στόχευσης που αυτή φέρει
2. από τις πρωτεΐνες υποδοχείς/συνοδούς που υποβοηθούν αυτή τη στόχευση

7. Σήματα στόχευσης
● αμινοξικές αλληλουχίες των πρωτεϊνών από 15 έως 60 αμινοξέα
● μπορεί να εντοπίζονται στο Ν-τελικό, στο C-τελικό άκρο ή και στο κέντρο της
της πρωτεΐνης και να είναι συνεχείς ή λιγότερο συχνά διακοπτόμενες
● τα σήματα στόχευσης που εντοπίζονται στα άκρα συνήθως αφαιρούνται από
ειδικές πεπτιδάσες σήματος αφού η πρωτεΐνη εισαχθεί στο στόχο
● αναγνωρίζονται από συγκεκριμένες πρωτεΐνες υποδοχείς/συνοδούς,
υπεύθυνες για την καθοδήγηση και εισαγωγή των πρωτεϊνών στο τελικό
στόχο
● η λειτουργία τους έγκειται στη φυσικές ιδιότητες που προσδίδει η αμινοξική
αλληλουχία του σήματος (υδροφιλικότητα, όξινη συμπεριφορά) και όχι στην
πρωτοταγή δομή

8. Εικόνα 1

9. Πρωτεΐνες στο εκκριτικό μονοπάτι στόχευσης
● συμμεταφραστική μεταφορά της συντιθέμενης πρωτεΐνης στο
ενδοπλασματικό δίκτυο (Ε.Δ.) για ολοκλήρωση της μετάφρασης εκεί
● το σήμα εντοπίζεται στο Ν-τελικό άκρο ώστε να είναι δυνατή η κίνηση της
πρωτεΐνης στο Ε.Δ. πριν αυτή ολοκληρωθεί
● σήμα στόχευση στο Ε.Δ. από 8 και περισσότερα μη πολικά αμινοξέα
● επιπλέον σήμα στόχευσης θα καθορίσει την παραμονή στο Ε.Δ. ή την
έκκριση προς άλλο στόχο όπως το σύμπλεγμα Golgi, τα υπεροξεισώματα
κ.α.
● η νεοσυντιθέμενη πρωτεϊνη που προεξέχει από το ριβόσωμα θα πρέπει να
είναι σε μη αναδιπλωμένη μορφή ώστε να εισαχθεί στο Ε.Δ. (με τη βοήθεια
ειδικών πρωτεϊνικών συνοδών)

10. Πρωτεΐνες κυτταροπλάσματος και μη εκκριτικού
συστήματος στόχευσης
● οι πρωτεΐνες που πρόκειται να παραμείνουν στο κυτταρόπλασμα δεν φέρουν
κανένα σήμα στόχευσης
● οι πρωτεΐνες στο μη εκκριτικό μονοπάτι παράγονται στο κυτταρόπλασμα και
μετακινούνται μεταμεταφραστικά προς τον στόχο (πυρήνας, μιτοχόνδρια,
υπεροξεισώματα κ.α.)
● συνήθως σε αυτά τα συστήματα, η πρωτεΐνη μπορεί να εισαχθεί στο στόχο
αναδιπλωμένη ή ακόμα και σε ολιγομερείς δομές (π.χ. υπεροξεισώματα)

11. Στόχευση στα υπεροξεισώματα από μη εκκριτικό
μονοπάτι
● υπάρχουν δύο κύρια σήματα για την εισαγωγή των πρωτεϊνών στη μήτρα των
υπεροξεισωμάτων PTS1 (Peroxisomal Targeting Signal) & PTS2
● PTS1: εντοπίζεται στο C-τελικό άκρο και αποτελείται από τρία αμινοξέα (Ser-
Arg-Leu). Η αναγνώρισή του, απαιτεί και κάποια επιπλέον αμινοξέα που
περιβάλλουν την τριάδα
● PTS2: σπάνιο σήμα, εντοπίζεται στο Ν-τελικό άκρο και αποτελείται από τα
αμινοξέα Arg-Leu-(X)5-His-Leu
● τα σήματα αναγνωρίζονται από πρωτεΐνες του συστήματος εισαγωγής στα
υπεροξεισώματα που ονομάζονται περοξίνες

12. Περοξίνες
● ελεύθερες στο κυτταρόπλασμα ή ενσωματωμένες στη μεμβράνη του
υπεροξεισώματος
● βασικές κυτταροπλασματικές περοξίνες των θηλαστικών που συμμετέχουν
στο σύστημα εισαγωγής πρωτεϊνών στη μήτρα των υπεροξεισωμάτων είναι οι
Pex5p & Pex7p
● η Pex5Sp αναγνωρίζει την PTS1
● το σύμπλεγμα Pex5Lp-Pex7p αναγνωρίζει την PTS2

13. Pex5p
● μονομερής με 2 επικράτειες και μοριακό βάρος 70 kD
● Ν-τελική επικράτεια με αποδιοργανωμένη δομή και μικρά ανεξάρτητα
αμινοξικά μοτίβα το καθένα για διαφορετική λειτουργία: 1. αλληλεπίδραση με
DTM (Docking/Translocation Module), 2. αναγνώριση και εισαγωγή
πρωτεϊνών με PTS2 στο σύμπλεγμα Pex5lp-Pex7p κ.α.
● C-τελική επικράτεια για την αναγνώριση και εισαγωγή πρωτεϊνών με PTS1
● μπορεί να αλληλεπιδράσει και με πρωτεΐνες που δεν φέρουν κάποια
αναγνωρισμένη αλληλουχία στόχευσης στο υπεροξείσωμα
● δρα σαν τσαπερονίνη στο κυτταρόπλασμα εμποδίζοντας τον ολιγομερισμό
και την αναδίπλωση των πρωτεϊνών που μεταφέρει πριν την εισαγωγή τους
στο οργανίδιο

14. Εισαγωγή πρωτεϊνών μήτρας του υπεροξεισώματος
● αναγνώριση της πρωτεΐνης από την αντίστοιχη περοξίνη
● υποβοήθεια και από τσαπερονίνες όπως Hsp70-Hsp40
● αλληλεπίδραση περοξίνης-φορτίου με το DTM (Pex13p, Pex14p, RING finger
proteins Pex2p, Pex10p, Pex12p) - η αρχική αλληλεπίδραση
πραγματοποιείται από τις Pex13p & Pex14p
● απελευθέρωση φορτίου στο εσωτερικό του οργανιδίου

15. Απελευθέρωση περοξίνης από το σύστημα
εισαγωγής
● μονοουβικουιτινιλίωση της Pex5p από τις πρωτεΐνες RING μετά την
αποφόρτωση
● οι πρωτεΐνες του συστήματος εξαγωγής Pex1p & Pex6p (μέλη της οικογένειας
πρωτεϊνών ΑΑΑ - ATPases Associated with diverse cellular Activities family)
εξάγουν ως μηχανοένζυμα την ub-Pex5p (μαζί με την Pex7p εάν υπήρξε
σύμπλοκο) με ΑΤΡ-εξαρτώμενο τρόπο
● άμεση αποουβικουιτινιλίωση της Pex5p από συγκεκριμένο
κυτταροπλασματικό σύστημα πρωτεϊνών

16. Εικόνα 2

17. Πρωτεΐνες μεμβράνης του υπεροξεισώματος (PMP)
● διαφορετικός τρόπος εισαγωγής από αυτόν των πρωτεϊνών της μήτρας
● φέρουν και αλληλουχίες stop-transfer για να είναι δυνατή η ενσωμάτωσή τους
διαμεμβρανικά
● βασικές πρωτεΐνες της μεμβράνης απαραίτητες στα πρώτα στάδια
σχηματισμού της για τα θηλαστικά, είναι οι Pex19p, Pex3p
● δύο τάξεις ΡΜΡ: 1. τάξη 1: παράγονται στο κυτταρόπλασμα και
κατευθύνονται απευθείας στα υπεροξεισώματα με τη βοήθεια της Pex19p
2. τάξη 2: κατευθύνονται πρώτα στο Ε.Δ. και στη συνέχεια μετακινούνται στο
υπεροξείσωμα μέσω κυστιδίων (εκκριτικό μονοπάτι) με Pex19p ανεξάρτητο
τρόπο

18. ΡΜΡ τάξης 1
● πιό συχνές από αυτές της τάξης 2
● φέρουν αλληλουχία αναγνώρισης για την Pex19p ενσωματωμένη στο σήμα
στόχευσης στη μεμβράνη mPTS
● για την αναγνώριση από την Pex19p απαιτείται δομή από βασικά και
υδρόφοβα αμινοξέα που σχηματίζουν δομή α-έλικας
● πρώτο βήμα για τη μεταφορά τους είναι η αναγνώρισή τους από την Pex19p
αμέσως μετά ή κατά την παραγωγή τους
● η Pex19p τις μεταφέρει στην Pex3p για αποβίβαση στη μεμβράνη
● η ενσωμάτωσή τους είναι ΑΤΡ-εξαρτώμενη ενώ η απελευθέρωση της Pex19p
δεν είναι

19. Pex19p
● εντοπίζεται στο κυτταρόπλασμα και σχετίζεται με τη μεταφορά μεμβρανικών
πρωτεϊνών των υπεροξεισωμάτων. Αλληλεπιδρά με τις ΡΜΡ τάξης 1.
● αποτελείται επίσης από οργανωμένο C-τελικό για αλληλεπίδραση με τις ΡΜΡ
και μη οργανωμενο Ν-τελικό άκρο απαραίτητο για την αλληλεπίδραση με την
Pex3p (ενσωματωμένος συνεργάτης της Pex19p για την αποβίβαση των
ΡΜΡ τάξης 1 στη μεμβράνη)
● Pex19 δρα σα τσαπερονίνη καθώς σταθεροποιεί στη διαλυτή μορφή των
ΡΜΡ1 και δεν επιτρέπει τη συσσωμάτωσή τους στο κυτταρόπλασμα
● απαραίτητη και για τη μεταβίβαση της Pex3p από το Ε.Δ. στο υπεροξείσωμα

20. Εικόνα 3

21. ΡΜΡ τάξης 2 - εκκριτικό μονοπάτι στόχευσης
● είναι η μειοψηφία των ΡΜΡ
● διακινούνται με Pex19p-ανεξάρτητο τρόπο
● ακολουθούν το εκκριτικό μονοπάτι στόχευσης
● μερικές από αυτές είναι οι Pex3p, Pex16p, Pex22p, Pex4p.
● ο αρχικός τους στόχος είναι το Ε.Δ. (εκεί μπορεί να δεχθούν τροποποιήσεις)
● στο Ε.Δ. σε ειδική περιοχή συσκευάζονται σε κυστίδια και μετακινούνται προς
ήδη υπάρχοντα υπεροξεισώματα ή δημιουργούν νέα
● η mPTS βρίσκεται στο Ν-τελικό άκρο τους και δεν φέρουν θέση πρόσδεσης
για την Pex19p
● έχει βρεθεί ότι στη στόχευση των ΡΜΡ τάξης 2 στο Ε.Δ. σημαντικό ρόλο
παίζει η Sec61p

22. Εικόνα 4
PMP type II PMP type I

23. Άλλες πρωτεΐνες των υπεροξεισωμάτων
1. Περιφερικές πρωτεΐνες μεμβράνης του υπεροξεισώματος: διαθέτουν θέση
αναγνώρισης για την Pex19p και θέση αλληλεπίδρασης για τις μεμβρανικές
πρωτεΐνες στις οποίες θα προσδεθούν
2. Πρωτεΐνες του υπεροξεισώματος που δεν φέρουν PTS: πραγματοποιούν
μεταφορά τύπου piggy-back. Τα υπεροξεισώματα έχουν τη δυνατότητα να
εισάγουν πρωτεΐνες και σε ολιγομερή μορφή, έτσι οι πρωτεΐνες που δεν
φέρουν σήμα στόχευσης στο οργανίδιο προσδένονται σε άλλες οι οποίες
φέρουν αντίστοιχο σήμα και γίνεται εισαγωγή του συμπλέγματος
3. Πρωτεΐνες των υπεροξεισωμάτων με μη καθορισμένο σήμα στόχευσης:
αυτές έχουν ικανότητα να συνδέονται στους υποδοχείς των PTS1 (Pex5p) σε
διαφορετικό σημείο από αυτό της θέσης για την PTS1 και έτσι να διανέμονται

24. Συμπεράσματα
● Η κατεύθυνση των πρωτεϊνών προς τα υπεροξεισώματα είναι μία διαδικασία
που στηρίζεται στα σήματα στόχευσης και στις πρωτεΐνες
συνοδούς/υποδοχείς όπως και στα υπόλοιπα συστήματα διαλογής
● Σημαντική διαφορά του συστήματος εισαγωγής στα υπεροξεισώματα από τα
υπόλοιπα συστήματα είναι η ικανότητα των υπεροξεισωμάτων να εισάγουν
πρωτεΐνες αναδιπλωμένες, ακόμα και σε ολιγομερείς μορφές
● Η στόχευση στα υπεροξεισώματα μπορεί να γίνει τόσο μέσω του εκκριτικού
όσο και μέσω του μη εκκριτικού μονοπατιού

25. Βιβλιογραφία
● Φόντο: http://www.ptgcn.com/products/PEX14-Antibody-10594-1-AP.htm Immunofluorescent
analysis of ( -20°C Ethanol ) fixed HepG2 cells using 10594-1-AP(PEX14 antibody) at dilution of
1:50 and Alexa Fluor 488-conjugated AffiniPure Goat Anti-Rabbit IgG(H+L)
● Εικόνα 1: Μοριακή Βιολογία ΙΙ Ενότητα 4 (2019), σελ.7
● Εικόνα 2: Nancy E Braverman, Maria Daniela D’Agostino, Gillian MacLean, Peroxisome biogenesis
disorders: Biological, clinical and pathophysiological perspectives., Dev Disabil Res Rev.
2013;17(3):187-96
● Εικόνα 3: Jean‐Claude Farré, Shanmuga S Mahalingam, Marco Proietto, Suresh Subraman,
Peroxisome biogenesis, membrane contact sites, and quality control, EMBO Rep (2019)20:e46864
● Εικόνα 4: Tanya L. Johnson and Laura J. Olsen*,Building New Models for Peroxisome Biogenesis,
Plant physiology 127(3):731-9 · December 2001
● Matsuzaki T1, Fujiki Y., The peroxisomal membrane protein import receptor Pex3p is directly
transported to peroxisomes by a novel Pex19p- and Pex16p-dependent pathway., J Cell Biol. 2008
Dec 29;183(7):1275-86.

26. Βιβλιογραφία
● Thomas Walter1 · Ralf Erdmann1, Current Advances in Protein Import into Peroxisomes, The
Protein Journal (2019) 38:351–362
● Sheung Kwan Lama,1, Naofumi Yodaa,1,2, and Randy Schekmana,b,3, A vesicle carrier that
mediates peroxisome protein traffic from the endoplasmic reticulum, PNAS | December 14, 2010 |
vol. 107 | no. 50: 21523–21528
● Gaurav Agrawal, Saurabh Joshi, and Suresh Subramani1, Cell-free sorting of peroxisomal
membrane proteins from the endoplasmic reticulum, PNAS | May 31,2011 | vol.108 | no. 22 [ 9113-
9118
● Yuqiong Liu1, Yuichi Yagita2,3 and Yukio Fujiki4∗, Assembly of Peroxisomal Membrane Proteins via
the Direct Pex19p-Pex3p Pathway, Traffic 2016; 17: 433–455
● Changle Ma, Gaurav Agrawal, Suresh Subramani, Peroxisome assembly: matrix and membrane
protein biogenesis, J Cell Biol (2011) 193 (1): 7-16.
● Julie E. Legakis, Stanley R. Terlecky, PTS2 Protein Import into Mammalian Peroxisomes, Traffic,
Volume2, Issue4, April 2001, Pages 252-260