COP I

COPI-Abdeckung
Struktur von Coatomer 1
vorhandene Strukturen
PDB	Finden Sie Orthologe: PDBe , RCSB
Identifikatoren
Nomenklatur	Andere Namen Coatomer, COPI
Gen-Ontologie Referenzen: AmiGO / QuickGO
Proteinstruktur/Funktion
Größe	320 (Alpha-Untereinheit), 291 (Epsilon-Untereinheit) ( Aminosäuren )
UniProt	CUP_BOVIN n / A

COPI ( Coat Complex Protein I ) ist ein Multiproteinkomplex , der, wenn zusammengesetzt, eine Hülle bildet, die Vesikel bedeckt und formt, die Proteine ​​und Lipide von der Cis-Fläche des Golgi-Apparats zurück zum rauhen endoplasmatischen Retikulum (ER) transportieren. wo sie ursprünglich synthetisiert wurden und zwischen Kompartimenten des Golgi selbst. Diese Art des Transports wird als retrograder Transport bezeichnet, im Gegensatz zum anterograden Transport, der mit dem COPII-Protein verbunden ist. Der Name COPI bezieht sich auf den spezifischen Hüllproteinkomplex, der den Prozess der Vesikelbildung an der cis-Golgi-Membran initiiert. Die Auskleidung besteht aus großen Protein-Subkomplexen, die wiederum aus acht verschiedenen Arten von Protein-Untereinheiten bestehen, obwohl es beim Menschen nur sieben gibt. Die COP I-Schale besteht aus dem Coatomer, einem zytosolischen Proteinkomplex von 700 kDa, der aus sieben verschiedenen Proteinuntereinheiten (α, β, β', γ, δ, ε, ζ) besteht, die in stöchiometrischen Verhältnissen vorkommen, und der GTPase Arf1, das den intrazellulären Transport von Vesikeln reguliert, indem es die Wechselwirkung zwischen der Hülle und der Organelle moduliert. Es wurde zuerst beim retrograden Transport vom cis-Golgi zum ER identifiziert und ist das am besten untersuchte ARF-abhängige Adapterprotein. Die Hauptfunktion von Adapterproteinen ist die Auswahl von Frachtproteinen für den Einbau in Trägervesikel.

Geschichte

Der COPI-Proteinkomplex (zusammen mit COPII) wurde von Lelio Orci, Benjamin S. Glick und James E. Rothman , in einem Experiment identifiziert, das 1986 in der Zeitschrift Cell veröffentlicht wurde. Golgi-Membranen wurden in Gegenwart von ATP und inkubiert Fraktionen zytosolischer Proteine ​​und es wurde beobachtet, wie sich aus dem Golgi-Apparat Vesikel mit einer Beschichtung bildeten, die nichts mit den charakteristischen Sechs- und Fünfecken zu tun hatte, die Clathrin -Triskele bilden , und die auch nicht mit polyklonalen Anti-Antikörpern reagierte. Bei der Analyse dieser Vesikel wurde eine hohe Konzentration von G-Proteinen gefunden , was lokale Konzentrationen dieser Art von Proteinen in den Zisternen widerspiegelt, was die Möglichkeit aufkommen ließ, dass diese Vesikel Träger waren. Fluoreszenzlichtmikroskopie war beim Erkennen von COPI-Vesikeln nicht effektiv, da sie wahrscheinlich zu klein und schwach waren, um von den größeren und helleren Golgi-Zisternen unterschieden zu werden. Nur durch eine Kombination aus In-vitro-Experimenten, Genetik und Expression mutierter Gene in vivo konnte das Konzept der zwei Golgi-Recyclingwege interpretiert werden. Derzeit können von Golgi abgeleitete COPI-beschichtete Vesikel leicht gereinigt werden, beispielsweise durch eine Reihe von In-vitro-Reaktionen, bei denen der Transport mit nicht-hydrolysierbarem GTP (GTP-pS) blockiert wird.

Struktur und Zusammensetzung von COP I-Covern

Die Hülle von COPI besteht aus mehreren Proteinen. Unter ihnen finden wir das ARF1-Protein, das ARF-GAP, das ARF-GEF (GBF1) und das COPI, auch Coatomer genannt. ]

ARF

ARF (ADP-Ribosylierungsfaktor) sind Proteine ​​der GTPase -Familie , haben ein kleines Molekulargewicht von etwa 20 kD und sind am vesikulären Transport beteiligt. Es gibt 30 ARFs bei Säugetieren und 29 beim Menschen aufgrund des Verlusts von ARF2. ARF sind löslich, aber da sie am N-Terminus durch die Zugabe einer Fettsäure posttranslational modifiziert werden , wird Myristin normalerweise mit Membranen assoziiert gefunden. Sie sind Mitglieder einer ständig wachsenden Familie, die auch ARL (ARF-ähnliche) Proteine, ARP (ARF-verwandte Proteine) und die am entferntesten mit ARFs verwandten SAR (Proteine, die mit ARF-Sekretion assoziiert sind) und Ras-verwandte Proteine) umfasst. ARF durchläuft einen Bindungsbildungszyklus mit GTP und GDP . Wenn es an GTP gebunden ist, ändert sich seine Konformation, so dass Myristinsäure und der hydrophobe N-Terminus freigelegt und mit Membranen assoziiert werden. Die Umwandlung zwischen GTP- und GDP-Bindung wird durch ARF-GEF (Guaninnukleotid-Austauschfaktor) und GTPase-aktivierende Proteine ​​(GAPS) vermittelt. ]

PRA-GAP

ARF-GAPs sind Teil der GAPs-Familie, die GTPase-aktivierende Proteine ​​oder auch als GTPase-beschleunigende Proteine ​​bezeichnet werden. Das ARF-GEF ist ein Protein, das auch für die Regulation der Bindung des ARF-Proteins mit GTP oder GDP verantwortlich ist. Beide Arten von Proteinen binden an GTPase-Proteine ​​und stimulieren deren Aktivität. ARF-GEF tauscht das GDP von löslichem ARF gegen ein GTP aus, wodurch es an Membranen binden kann, während ARF-GAP GTP zu GDP hydrolysiert und die Freisetzung von ARF aus der Membran ermöglicht.

GBF1

GBF1 ist das spezifische Protein, das laut neueren Studien für die Aktivierung von ARF verantwortlich ist. GBF1 ist ein GEF-Protein, das bei Überexpression in Zellen Resistenz gegen BFA verleiht. BFA ist sehr wichtig für die Zelle, da gezeigt wurde, dass seine Modifikation eine Hemmung des Aufbaus der COPI-Hülle verursacht. Dadurch wird der Vesikelverkehr zwischen dem Endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat gestoppt und die Golgi-Struktur zerlegt. Die dynamische Verteilung von GBF1 in lebenden Zellen wurde kürzlich beobachtet, da es mit YFP markiert wurde.

Coatomer

Ein Coatomer ist ein 700 kD großer Cytosol-Proteinkomplex, der aus sieben äquimolaren Untereinheiten (Alpha, Beta, Beta', Gamma, Delta, Epsilon und Zeta) besteht. Coatomer-Protein und ADP-Ribosylierungsfaktor 1 sind Hauptkomponenten des Komplex-I-Hüllproteins und nehmen am Vesikeltransport zwischen dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat und am intra-Golgi-Vesikeltransport teil. Wenn der ARF die Membran und den Moment angibt, in dem sich das Vesikel bilden soll, wird angenommen, dass das Coatomer angibt, welche Art von Molekülen innerhalb des Vesikels transportiert werden. Sie können direkt an Cargo-Proteine ​​binden, obwohl das Normalste ist, dass sie an Transmembranproteinrezeptoren binden, und diese sind es, die an Cargo-Proteine ​​binden. Diese Proteinrezeptoren im Fall von COPI sind die p23-Proteine. Es wurde gezeigt, dass die p23-Proteine ​​das am häufigsten vorkommende Protein in COPI-beschichteten Vesikelmembranen sind, ihre zytoplasmatischen Schwänze binden stark an COPI und dienen somit als Coatomer-Rezeptor. Diese Proteine ​​wurden in COPI-beschichteten Vesikeln lokalisiert, die den Golgi-Apparat in Richtung des endoplasmatischen Retikulums verließen, es wird angenommen, dass das Signal für den retrograden Transport in ihren zytosolischen Schwänzen zu finden ist.

Funktionen

Bildung von POP I-Vesikeln

Bildung von COPI-Vesikeln

Um die Synthese der COP-I-Hülle zu initiieren, wird Arf1-GDP durch ein GEF-Protein (Guanosin-Nukleotid-Austauschfaktor) zu Arf1-GTP aktiviert. Wenn Arf1 aktiviert wird, ändert sich seine Konformation, sodass die Myristin (gesättigte Fettsäure mit 14 Kohlenstoffatomen) und der hydrophobe N-Terminus freigelegt werden und die Membran binden. Arf1-GTP, mittlerweile ein integrales Membranprotein, fängt das aus den sieben Untereinheiten bestehende Coatomer auf der Außenseite der Membran ein. Die α-, β- und ε-Untereinheiten erkennen vier Aminosäuresequenzen, die zwei Lys(K)-Reste enthalten, die KKXX-Sequenzen. Mit dieser Sequenz werden Ladungen oder Ladungsrezeptoren rekrutiert und in dem Bereich der Membran konzentriert, in dem sich das Vesikel bilden wird. Sie erkennen auch KDEL-Proteine, die eine bestimmte Sequenz von Aminosäuren (Lys, Asp, Glut Leu) haben, die das Retentionssignal im ER ist. Auf diese Weise werden Ladungen rekrutiert und gleichzeitig die COP I-Hülle gebildet.Dieser Vorgang wird wiederholt und die Membran geformt, bis ein Vesikel entsteht. Im Gegensatz zu Clathrin-Kappen zerfallen COP-Kappen nicht, sobald das Vesikel gebildet wurde, sondern beim Erreichen der Zielmembran, wo ein GAP (GTPase-aktivierendes Protein) GTP zu GDP+Pi hydrolysiert, dann wird das Arf1 inaktiviert und löst sich von der Vesikelmembran Abbau der COP I-Hülle, die im Zytoplasma solubilisiert wird.

Transport im Golgi

Die Bildung beschichteter Vesikel ist für den Transport der verschiedenen Verbindungen innerhalb der Zelle unerlässlich , und die Art dieser Beschichtung bestimmt sowohl die Ladung des Vesikels als auch die Fusion mit der Zielmembran. Einer der Transportwege ist der biosynthetisch-sekretorische Weg, der im Endoplasmatischen Retikulum beginnt und dann zum Golgi-Komplex führt und an verschiedene Punkte der Zelle verteilt wird, wobei letzterer als Klassifikationspunkt oder „Sortierung“ der Zellen fungiert verschiedene Straßenkomponenten. Um die Passage des biosynthetisch-sekretorischen Weges durch den Golgi zu verstehen, ist es notwendig, die Struktur des Golgi zu verstehen. Der Golgi-Komplex besteht aus einer Reihe von Zisternen, gestapelten membranumschlossenen Kompartimenten, die wiederum Dictyosomen (Gruppen von vier bis sechs Zisternen) hervorbringen. Das Cis-Golgi-Netzwerk empfängt die Vesikel vom Endoplasmatischen Retikulum und leitet die Ladungen von Tank zu Tank an das Trans-Golgi-Netzwerk weiter, wo sie für ihren nächsten Bestimmungsort klassifiziert werden. Daher wird im Cis-Golgi-Netzwerk entschieden, ob das vom ER erhaltene Material seinen Durchgang durch den Komplex fortsetzt und sich durch die Dictyosomen in Richtung von cis nach trans bewegt, oder ob es zum ER zurückkehren soll ( retrograder Transport). Das Transportmodell durch den Golgi-Komplex wurde in den letzten Jahren diskutiert, wobei derzeit zwei unterschiedliche Hypothesen dominieren: das Vesikeltransportmodell und das Cisternae-Reifungsmodell. Gemäß dem vesikulären Transportmodell bleiben Golgi-Zisternen statisch, wobei COPI-beschichtete Transportvesikel Verbindungen sequentiell durch jede Zisterne bewegen. Jedes von ihnen enthält seinen charakteristischen Satz residenter Enzyme. In diesem Modell erklärt die bidirektionale Vesikelbewegung, sowohl retrograd als auch anterograd, die charakteristische Verteilung von Golgi-Enzymen. In Übereinstimmung mit dem Cisternae-Reifungsmodell sind Golgi-Cisternae dynamische Strukturen, die während ihrer Reifung Verbindungen transportieren und sich in trans-Richtung bewegen. Die aus dem ER stammenden Vesikel bilden Aggregate, die die Zisternen des Cis-Netzwerks anschieben. Im Gegensatz zum vesikulären Transportmodell wird in diesem Modell die Verteilung von Golgi-Enzymen durch den retrograden Transport von Vesikeln definiert. Es gibt Autoren, die das Modell der Zisternenreifung verteidigen, aber auf die Existenz einer anterograden vesikulären Bewegung hinweisen. Aus diesem Grund verteidigen andere Autoren eine mögliche Kombination beider Modelle als wahrscheinlicher.

Retrograder Transport

Ein Teil der vom Endoplasmatischen Retikulum zum Cis-Golgi-Netzwerk empfangenen Moleküle wird durch den sogenannten retrograden oder Rückgewinnungstransport zurückgeführt. Die Funktion dieses Transports ist sowohl die Rückführung von Molekülen, die aus dem ER entkommen sind, von residenten Molekülen, die in den COPII-Vesikeln eingefangen wurden, als auch das Membranrecycling. Wie beim Intra-Golgi-Trafficking vermittelt das COPI-Protein den retrograden Transportweg. Zurückzugebende Verbindungen aus dem ER enthalten Signale, die sie an die COPI-Hüllen binden, sie verpacken und den Inhalt des Transportvesikels bilden. Eines der am besten charakterisierten Signale ist die KKXX-Sequenz, die aus zwei Lysinen gefolgt von zwei Aminosäuren am C-Terminus des ER-Membranproteins gebildet wird. Es gibt noch andere Abrufsignale, die im Gegensatz zu Membranproteinen, die direkt an die COPI-Hülle binden, an spezialisierte Rezeptorproteine ​​binden müssen: KDEL-Rezeptoren, gebildet durch die Sequenz Lys-Asp-Glu-Leu. Die Änderungen, die es in seiner Affinität zeigt, abhängig von dem Kompartiment, in dem es gefunden wird, sind unbekannt: Es zeigt eine größere Affinität für das Protein im Golgi-Komplex, um es einzufangen, und eine geringere Affinität, wenn es das endoplasmatische Retikulum erreicht, wo es wird freigegeben. Eine mögliche Erklärung kann in den Unterschieden in den Ionen- und pH-Bedingungen zwischen beiden Kompartimenten gefunden werden.

Proteine, die COP I-beschichtete Vesikel tragen

1.- Lumenproteine. Sie sind Proteine, die im Lumen des Golgi-Apparats gefunden werden und zum Lumen des rauen ER transportiert werden müssen. Sie enthalten ein KDEL-Peptidsignal, das von einem KDEL-Membranrezeptor erkannt wird. Bei Hefe heißen sie ERd2p und bei Säugetieren KDELR. Dieser Rezeptor bindet dann an ein ARF-GEF, das das ARF in die GTP-Konformation ändert. Sobald die Änderung vorgenommen wurde, bindet das ARF an die zytosolische Seite der cis-Golgi-Membran.

2.- Membranproteine. Sie sind Transmembranproteine, die sich im ER befinden und Sortier-/Ausgangssignale an ihren zytosolischen Schwänzen enthalten, die das Protein aus dem Golgi heraus und zurück in das ER leiten. Diese Sortiersignale enthalten typischerweise eine KKXX-Aminosäuresequenz, die mit COPI interagiert. Die Reihenfolge, in der ein Adapterprotein mit Fracht oder mit ARF assoziiert, ist unklar, aber damit eine reife Trägerproteinbeschichtung auftritt, müssen Fracht, Adapterprotein und ARF assoziieren.

Membranverformung und Vesikelbildung erfolgen nach der oben beschriebenen Sammlung von Wechselwirkungen. Das Trägerprotein löst sich dann von der Vesikel-Donor-Membran, im Fall von COPI ist diese Membran die des cis-Golgi, und das Vesikel bewegt sich zum ER, wo es mit der Akzeptor-Membran fusioniert und sein Inhalt freigesetzt wird.

Biomedizinische Anwendungen und Kuriositäten

unabhängig von COP

Seit den späten 1980er Jahren gab es Hinweise auf die Existenz eines anderen retrograden Golgi-ER-Transportwegs für Glykotransferasen. Der Beweis für die Existenz dieses COPI-unabhängigen retrograden Transports bestand in der Untersuchung des Schutzes von Säugetierzellen vor verschiedenen Toxinen, die durch Endozytose eindringen und zum TGN wandern, wo sie zum Retikulum recycelt werden; Einige von ihnen hatten KDEL-Sequenzen und andere nicht. Es wurde beobachtet, dass es bei Hemmung des COPI-Komplexes mittels Antikörpern zu keinen Akkumulationen der Toxine mit der KDEL-Sequenz im ER kam, wohl aber zu Akkumulationen von Toxinen, die dies nicht taten. Wenn dieser Proteinkomplex nicht gehemmt wurde, brauchten diejenigen, die die Sequenz nicht hatten, 1,5 Stunden länger. Andere Experimente, die COPI mit mutiertem GTP oder ARF1 hemmten, hatten identische Ergebnisse. Dieses mutierte ARF stabilisiert die COPI-Membran-Assoziation und beeinflusst den Einbau residenter Golgi-Proteine ​​in COPI-Vesikel. Das Auferlegen der gleichen oben erwähnten Blockierungsbedingungen von COPI-Funktionen in parallelen Experimenten beeinflusste den retrograden Transport von Glykotransferasen nicht. Aus diesen und ähnlichen Experimenten wird die Existenz eines zusätzlichen langsameren und noch nicht identifizierten Mechanismus abgeleitet, der erklärt, warum bestimmte Toxine das ER auf dem Weg dieser Enzyme erreichen. Da außer durch die Hemmung von COPI keine Zunahme dieses anderen Transports beobachtet wird, ist es möglich, dass beide unabhängig sind.

Vesikuläre Verkehrsstörungen

Wenn genetische Mutationen auftreten , werden Proteine ​​falsch kodiert oder falsch gefaltet oder ihre Verarbeitung wird verändert, was zu Funktionsstörungen führt. Im Fall von Mutationen in den Genen, die Proteine ​​codieren, die am Vesikeltransport beteiligt sind, führen diese zu einer Retention von Ladungen im ER, wo sie akkumulieren, oder es kommt zu Proteolyse und Delokalisierung sowohl intra- als auch extrazellulär. Genetische Veränderungen, die den durch COP I, COP II und Clathrin vermittelten Verkehr beeinflussen (autosomal rezessiv):

• COP I: Die Proteinkinase Scyl1 reguliert die durch COP I vermittelten Vesikel. Mutationen in diesem Protein wurden in Fällen einer fortschreitenden motorischen Neuropathologie und zerebralen Atrophie, Spinocereberall Neurodegeneration, gefunden.
• COP II: Cranio-lenticulo-suturale Dysplasie wird durch eine Mutation in SEC23A (codiert ein COP-II-Hüllprotein) verursacht, die einen anormalen Verkehr zwischen dem ER und dem Golgi verursacht, was zu einer Retention von Kollagen I im ER, verzögerter Ossifikation, Hypopigmentierung und Katarakt führt.
• CLATHRIN: Typ-3-Protein des Hermansky-Pudlak-Syndroms ist mit Clathrin assoziiert. Mutationen in mindestens acht Genen, die AP3-Untereinheiten codieren, verursachen Probleme bei der Biogenese von Lysosomen-verwandten Organellen. Diese Mutation verursacht okulokutanen Albinismus und Blutungsneigung.

Externe Links

• [1] UniProtKB (Datenbank)
• [2] Homepage des Europäischen Bioinformatik-Instituts EMBL-EMI
• [3] Archiviert am 31.10.2012 auf der Wayback Machine . Sanger-Institut