游离核糖体的蛋白质由什么加工？蛋白质翻译和加工转运的游离核糖体途径

真核细胞中的蛋白质翻译加工主要有两条途径，一条是信号肽引导的内质网-高尔基体途径，即分泌途径，另一条是游离核糖体途径。前者包括分泌蛋白、膜蛋白和溶酶体蛋白，后者主要是胞浆蛋白、核蛋白和一些细胞器蛋白。

分泌途径的翻译主要在内质网完成，而另一条途径是在游离核糖体上完成翻译，然后被特异定位标签引导进入线粒体、叶绿体、过氧化物酶体及细胞核等处，没有标签的就留在胞浆。

一般认为，游离核糖体（cytosolic ribosome）与内质网上的核糖体并无不同，只是新生肽链中没有信号肽，不能被SRP引导到内质网，所以只能在胞浆中翻译。

典型的线粒体蛋白定位标签称为线粒体靶向序列（mitochondria targeting sequence，MTS），一般位于肽链N端，定位完成后会被切除，所以也称为前序列（presequence）。

游离核糖体翻译产物进入线粒体。Genes Dev. 2018 Oct 1; 32(19-20): 1285–1296.

MTS的长度一般为20-40个氨基酸，整体带正电荷，能形成两亲螺旋。其裂解位点的-2，-3或-10位通常存在精氨酸，周围有特定的侧翼序列。

胞浆中也有多种分子伴侣，它们与新生肽链结合，使其维持在非折叠状态，容易进入线粒体。线粒体是双层膜，即外膜（OM或OMM）和内膜（IM或IMM）。蛋白质通过外膜需要外膜转位酶（translocase of the outer membrane，TOM）复合物，通过内膜需要内膜转位酶（translocases of inner membrane，TIM）。

人类线粒体中约有1500种核编码蛋白，占其蛋白质组的98%以上。这些蛋白在线粒体中的具体定位分为四个区域：外膜、内膜、膜间隙（IMS）和基质。四类蛋白各有不同的结构特点和加工程序。

核编码蛋白进入线粒体的途径。Biochim Biophys Acta Mol Cell Res. 2017 Jan;1864(1):125-137.

典型的外膜蛋白具有β-桶形拓扑结构，通过TOB / SAM复合体插入外膜。也有个别外膜蛋白不通过TOM和TOB / SAM复合物定位，如某些α-螺旋外膜蛋白是通过线粒体导入（MIM）复合体直接插入外膜的。

内膜蛋白一般通过TIM定位，如疏水性的线粒体载体SLC25通过TIM22定位，另一些蛋白通过TIM23-SORT复合物定位。还有一些蛋白先被TIM23-PAM复合物转位到基质，然后通过OXA（oxidase assembly）移位酶重定向到内膜。

线粒体蛋白的定位分类。Am J Hum Genet. 2019 May 2; 104(5): 784–801.

TIM23-PAM复合物还可将具有可裂解MTS的前体蛋白引导至线粒体基质，由线粒体加工蛋白酶和肽酶切除并降解MTS。

膜间隙蛋白通常是小的可溶性蛋白，其前体具有多个半胱氨酸残基。前体蛋白在通过TOM转运后进入膜间隙，并通过线粒体膜间隙装配体（MIA）复合体进行分选。MIA复合体中含有一些氧化还原酶，可以催化二硫键形成，帮助蛋白质折叠。

线粒体蛋白的加工步骤。Am J Hum Genet. 2019 May 2; 104(5): 784–801.

某些线粒体蛋白在特定情况下会出现在其它细胞区室，属于蛋白质的双重定位（dual localization）。例如，PDC在线粒体基质中催化丙酮酸脱羧，但可以通过线粒体来源的囊泡（MDV）途径被运送至细胞核，参与组蛋白乙酰化。在线粒体基质中参与泛醌生物合成的COQ7，会在线粒体氧化应激时被转移到细胞核中，下调参与UPRmt（线粒体的未折叠蛋白反应）的基因表达。

蛋白质的核-线粒体双重定位。Biochim Biophys Acta Mol Cell Res. 2017 Jan;1864(1):125-137.

其实双重定位并不罕见，例如GAPDH的核质双重定位，植物中的线粒体-叶绿体双重定位，甚至酵母富马酸酶的线粒体-细胞质-细胞核三重定位。特定的蛋白质、代谢物、RNA等都可能跨越细胞区室甚至器官分隔，成为某种调节信号。相信以后会有更多发现。

参考文献：

1. Chantal Priesnitz, et al. Pathways to balance mitochondrial translation and protein import. Genes Dev. 2018 Oct 1; 32(19-20): 1285–1296.

2. Emmanuelle Nicolas, et al. Disease-Associated Genetic Variation in Human Mitochondrial Protein Import. Am J Hum Genet. 2019 May 2; 104(5): 784–801.

3. Michal Wasilewski, et al. Protein trafficking at the crossroads to mitochondria. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res. 2017 Jan;1864(1):125-137.

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