Exosomkomplex

Ej att förväxla med Exosom (vesikel) .

"Ribbon view" av det mänskliga exosomkomplexet. PDB Se förklaringen nedan. Kanalen genom vilken RNA passerar under nedbrytning är synlig i mitten av proteinkomplexet

Exosomkomplexet (eller PM/Scl-komplexet , ofta bara kallat exosomen ) är ett intracellulärt multiproteinkomplex som kan bryta ned olika typer av RNA (ribonukleinsyra) -molekyler . Exosomkomplex finns i både eukaryota celler och archaea , medan i bakterier utför ett enklare komplex som kallas degradosomen liknande funktioner.

Kärnan i exosomen innehåller en sexledad ringstruktur till vilken andra proteiner är fästa. I eukaryota celler finns exosomkomplexet i cytoplasman , kärnan och speciellt nukleolen , även om olika proteiner interagerar med exosomkomplexet i dessa fack och reglerar komplexets RNA-nedbrytningsaktivitet till substrat som är specifika för dessa cellkompartment. Substrat av exosomen inkluderar budbärar-RNA , ribosomalt RNA och många arter av små RNA . Exosomen har en exoribonukleolytisk funktion, vilket betyder att den bryter ned RNA med början i ena änden ( 3′-änden i detta fall), och i eukaryoter även en endoribonukleolytisk funktion, vilket betyder att den klyver RNA vid platser i molekylen.

Flera proteiner i exosomen är målet för autoantikroppar hos patienter med specifika autoimmuna sjukdomar (särskilt PM/Scl-överlappssyndromet ) och vissa antimetaboliska kemoterapier för cancerfunktion genom att blockera exosomens aktivitet. Dessutom orsakar mutationer i exosomkomponent 3 pontocerebellär hypoplasi och spinal motorneuronsjukdom .

Upptäckt

Exosomen upptäcktes först som ett RNas 1997 i den spirande jästen Saccharomyces cerevisiae , en ofta använd modellorganism . Inte långt efter, 1999, insåg man att exosomen i själva verket var jästmotsvarigheten till ett redan beskrivet komplex i mänskliga celler som kallas PM/ Scl-komplexet, som hade identifierats som ett autoantigen hos patienter med vissa autoimmuna sjukdomar år tidigare ( se nedan ). Rening av detta "PM/Scl-komplex" möjliggjorde identifieringen av fler humana exosomproteiner och så småningom karakteriseringen av alla komponenter i komplexet. År 2001 möjliggjorde den ökande mängden genomdata som hade blivit tillgänglig förutsägelse av exosomproteiner i archaea, även om det skulle ta ytterligare två år innan det första exosomkomplexet från en arkeal organism renades.

Strukturera

Kärnproteiner

Ovanifrån och från sidan av kristallstrukturen av det mänskliga exosomkomplexet. Se hela legenden nedan.

Kärnan i komplexet har en ringstruktur som består av sex proteiner som alla tillhör samma klass av RNaser, de RNase PH- liknande proteinerna. I archaea finns två olika PH-liknande proteiner (kallade Rrp41 och Rrp42), var och en närvarande tre gånger i en omväxlande ordning. Eukaryota exosomkomplex har sex olika proteiner som bildar ringstrukturen. Av dessa sex eukaryota proteiner liknar tre det arkaeala Rrp41-proteinet och de andra tre proteinerna är mer lika det arkeala Rrp42-proteinet.

Underenheter och organisation av de arkeala (vänster) och eukaryota (höger) exosomkomplexen. Olika proteiner är numrerade, vilket visar att den arkeala exosomen innehåller 4 olika proteiner, men den eukaryota exosomen innehåller nio olika proteiner. Se hela legenden nedan.

På toppen av denna ring finns tre proteiner som har en S1 RNA-bindande domän (RBD). Två proteiner har dessutom en K-homologi (KH) domän . I eukaryoter är tre olika "S1"-proteiner bundna till ringen, medan i archaea kan antingen en eller två olika "S1"-proteiner vara en del av exosomen (även om det alltid finns tre S1-subenheter kopplade till komplexet).

Denna ringstruktur är mycket lik den hos proteinerna RNase PH och PNPase . I bakterier bildar proteinet RNase PH, som är involverat i tRNA- bearbetning, en hexamerisk ring som består av sex identiska RNase PH-proteiner. När det gäller PNPase, som är ett fosforolytiskt RNA-nedbrytande protein som finns i bakterier och kloroplasterna och mitokondrierna hos vissa eukaryota organismer, är två RNase PH-domäner och både en S1- och KH-RNA-bindande domän en del av ett enda protein, som bildar ett trimeriskt komplex som antar en struktur som är nästan identisk med exosomens. På grund av denna höga likhet i både proteindomäner och struktur, tros dessa komplex vara evolutionärt relaterade och ha en gemensam förfader . De RNase PH-liknande exosomproteinerna, PNPase och RNase PH tillhör alla RNase PH-familjen av RNaser och är fosforolytiska exoribonukleaser , vilket betyder att de använder oorganiskt fosfat för att avlägsna nukleotider från 3'-änden av RNA- molekyler.

Associerade proteiner

Förutom dessa nio kärnexosomproteiner, associerar två andra proteiner ofta med komplexet i eukaryota organismer. En av dessa är Rrp44 , ett hydrolytiskt RNas, som tillhör RNase R -familjen av hydrolytiska exoribonukleaser (nukleaser som använder vatten för att klyva nukleotidbindningarna). Förutom att vara ett exoribonukleolytiskt enzym har Rrp44 även endoribonukleolytisk aktivitet, som finns i en separat domän av proteinet. I jäst är Rrp44 associerat med alla exosomkomplex och har en avgörande roll i aktiviteten av jästexosomkomplexet. Medan en human homolog av proteinet existerar, hittades inga bevis under lång tid för att dess humana homolog var associerad med det mänskliga exosomkomplexet. 2010 upptäcktes det dock att människor har tre Rrp44-homologer och två av dessa kan associeras med exosomkomplexet. Dessa två proteiner bryter sannolikt ned olika RNA-substrat på grund av deras olika cellulära lokalisering, där det ena är lokaliserat i cytoplasman ( DIS3L1 ) och det andra i kärnan ( DIS3 ).

"Ribbon view" av den partiella strukturen av jästexosomsubenheten Rrp6, med α-helixar i rött och β-ark i gult.

Det andra vanliga associerade proteinet kallas Rrp6 (i jäst) eller PM/Scl-100 (i människa). Liksom Rrp44 är detta protein ett hydrolytiskt exoribonukleas, men i detta fall av RNase D -proteinfamiljen. Proteinet PM/Scl-100 är oftast en del av exosomkomplex i cellkärnan, men kan också utgöra en del av det cytoplasmatiska exosomkomplexet.

Regulatoriska proteiner

Förutom dessa två hårt bundna proteinsubenheter interagerar många proteiner med exosomkomplexet i både cytoplasman och cellkärnan. Dessa löst associerade proteiner kan reglera aktiviteten och specificiteten hos exosomkomplexet. I cytoplasman interagerar exosomen med AU rich element (ARE) bindande proteiner (t.ex. KRSP och TTP), vilket kan främja eller förhindra nedbrytning av mRNA. Den nukleära exosomen associerar med RNA-bindande proteiner (t.ex. MPP6/Mpp6 och C1D/Rrp47 hos människor/jäst) som krävs för att bearbeta vissa substrat.

Förutom enstaka proteiner interagerar andra proteinkomplex med exosomen. En av dessa är det cytoplasmatiska Ski-komplexet , som inkluderar ett RNA- helikas (Ski2) och är involverat i mRNA-nedbrytning. I kärnan förmedlas bearbetningen av rRNA och snoRNA av exosomen av TRAMP-komplexet , som innehåller både RNA-helikas (Mtr4) och polyadenylerings (Trf4) aktivitet.

Fungera

Enzymatisk funktion

Reaktionsdiagram för både hydrolytisk (vänster) och fosforolytisk (höger) 3'-ändnedbrytning av RNA.

Som nämnts ovan innehåller exosomkomplexet många proteiner med ribonukleasdomäner. Den exakta naturen hos dessa ribonukleasdomäner har förändrats över evolutionen från bakteriella till arkeala till eukaryota komplex eftersom olika aktiviteter har vunnits och förlorats. Exosomen är i första hand ett 3'-5' exoribonukleas , vilket betyder att det bryter ned RNA-molekyler från deras 3'-ände . Exoribonukleaser som finns i exosomkomplex är antingen fosforolytiska (RNas PH-liknande proteiner) eller, i eukaryoter, hydrolytiska (RNas R- och RNas D-domänproteinerna). De fosforolytiska enzymerna använder oorganiskt fosfat för att klyva fosfodiesterbindningarna – frigör nukleotiddifosfater . De hydrolytiska enzymerna använder vatten för att hydrolysera dessa bindningar – frigör nukleotidmonofosfater .

I archaea är Rrp41-subenheten i komplexet ett fosforolytiskt exoribonukleas. Tre kopior av detta protein finns i ringen och är ansvariga för komplexets aktivitet. I eukaryoter har ingen av RNase PH-subenheterna behållit denna katalytiska aktivitet, vilket betyder att kärnringstrukturen i den mänskliga exosomen inte har något enzymatiskt aktivt protein. Trots denna förlust av katalytisk aktivitet är strukturen av kärnexosomen mycket konserverad från arkea till människor, vilket tyder på att komplexet utför en viktig cellulär funktion. Hos eukaryoter kompenseras frånvaron av den fosforolytiska aktiviteten av närvaron av de hydrolytiska enzymerna, som är ansvariga för exosomens ribonukleasaktivitet i sådana organismer.

Som nämnts ovan är de hydrolytiska proteinerna Rrp6 och Rrp44 associerade med exosomen i jäst och hos människor, förutom Rrp6, kan två olika proteiner, Dis3 och Dis3L1 associeras vid positionen för jäst Rrp44-proteinet. Även om ursprungligen S1-domänproteinerna också troddes ha 3'-5' hydrolytisk exoribonukleasaktivitet, har förekomsten av denna aktivitet nyligen ifrågasatts och dessa proteiner kan ha bara en roll i att binda substrat innan de bryts ned av komplexet.

Schematisk bild av de arkeala (vänster) och eukaryota (höger) exosomkomplexen med de vanligaste associerade proteinerna. I färg och markerade med en stjärna är subenheterna i varje komplex som har katalytisk aktivitet. Se nedan för en fullständig legend.

Substrat

Exosomen är involverad i nedbrytningen och bearbetningen av en mängd olika RNA-arter. I cytoplasma är det involverat i omsättningen av budbärar-RNA (mRNA)-molekyler. Komplexet kan bryta ner mRNA-molekyler som har märkts för nedbrytning eftersom de innehåller fel, genom interaktioner med proteiner från nonsensmedierade sönderfallsvägar eller non-stop sönderfallsvägar . På ett alternativt sätt bryts mRNA ned som en del av deras normala omsättning . Flera proteiner som stabiliserar eller destabiliserar mRNA-molekyler genom bindning till AU-rika element i den 3' otranslaterade regionen av mRNA interagerar med exosomkomplexet. I kärnan krävs exosomen för korrekt bearbetning av flera små nukleära RNA-molekyler. Slutligen nukleolus avdelningen där majoriteten av exosomkomplexen finns. Där spelar det en roll i bearbetningen av 5.8S ribosomalt RNA (den första identifierade funktionen av exosomen) och av flera små nukleolära RNA .

Även om de flesta celler har andra enzymer som kan bryta ner RNA, antingen från 3'- eller 5'-änden av RNA:t, är exosomkomplexet väsentligt för cellöverlevnad. När uttrycket av exosomproteiner artificiellt reduceras eller stoppas, till exempel genom RNA-interferens , stannar tillväxten och cellerna dör så småningom. Både kärnproteinerna i exosomkomplexet, såväl som de två huvudsakliga associerade proteinerna, är essentiella proteiner. Bakterier har inte ett exosomkomplex; dock utförs liknande funktioner av ett enklare komplex som inkluderar proteinet PNPase , kallat degradosomen .

Två kärnsubenheter av den arkeala exosomen (Rrp41 och Rrp42), bundna till en liten RNA-molekyl (i rött).

Exosomen är ett nyckelkomplex i cellulär RNA-kvalitetskontroll. Till skillnad från prokaryoter har eukaryoter mycket aktiva RNA-övervakningssystem som känner igen obearbetade och felbehandlade RNA-proteinkomplex (som ribosomer ) innan de lämnar kärnan. Det antas att detta system förhindrar avvikande komplex från att störa viktiga cellulära processer såsom proteinsyntes .

Förutom RNA-bearbetning, omsättning och övervakningsaktiviteter är exosomen viktig för nedbrytningen av så kallade kryptiska instabila transkript (CUT) som produceras från tusentals loci inom jästgenomet. Vikten av dessa instabila RNA och deras nedbrytning är fortfarande oklar, men liknande RNA-arter har också upptäckts i mänskliga celler.

Sjukdom

Autoimmunitet

Exosomkomplexet är målet för autoantikroppar hos patienter med olika autoimmuna sjukdomar . Dessa autoantikroppar finns främst hos personer med PM/Scl-överlappssyndromet, en autoimmun sjukdom där patienter har symtom från både sklerodermi och antingen polymyosit eller dermatomyosit . Autoantikroppar kan detekteras i serum hos patienter genom en mängd olika analyser. Tidigare var de mest använda metoderna dubbel immundiffusion med extrakt från kalvtymus , immunfluorescens på HEp-2-celler eller immunoutfällning från humana cellextrakt. I immunoutfällningsanalyser med sera från anti-exosompositiva sera utfälls en distinkt uppsättning proteiner. Redan år innan exosomkomplexet identifierades kallades detta mönster för PM/Scl-komplexet . Immunfluorescens med sera från dessa patienter visar vanligtvis en typisk färgning av cellkärnan, vilket utlöste förslaget att antigenet som känns igen av autoantikroppar kan vara viktigt vid ribosomsyntes . På senare tid rekombinanta exosomproteiner blivit tillgängliga och dessa har använts för att utveckla linjeimmunoanalyser (LIA) och enzymkopplade immunosorbentanalyser (ELISA) för att detektera dessa antikroppar.

I dessa sjukdomar är antikroppar huvudsakligen riktade mot två av proteinerna i komplexet, kallade PM/Scl-100 (det RNas D-liknande proteinet) och PM/Scl-75 (ett av de RNas PH-liknande proteinerna från ringen) och antikroppar som känner igen dessa proteiner finns hos cirka 30 % av patienterna med PM/Scl-överlappssyndromet. Även om dessa två proteiner är huvudmålet för autoantikropparna, kan andra exosomsubenheter och associerade proteiner (som C1D) riktas mot dessa patienter. För närvarande är det känsligaste sättet att upptäcka dessa antikroppar att använda en peptid , härledd från PM/Scl-100-proteinet, som antigen i en ELISA istället för kompletta proteiner. Genom denna metod hittas autoantikroppar hos upp till 55 % av patienterna med PM/Scl-överlappssyndromet, men de kan också detekteras hos patienter med antingen sklerodermi, polymyosit eller enbart dermatomyosit.

Eftersom autokropparna huvudsakligen finns hos patienter som har egenskaper hos flera olika autoimmuna sjukdomar, kan de kliniska symtomen hos dessa patienter variera kraftigt. De symtom som ses oftast är de typiska symtomen för de enskilda autoimmuna sjukdomarna och inkluderar Raynauds fenomen , artrit , myosit och sklerodermi . Behandlingen av dessa patienter är symtomatisk och liknar behandling för den individuella autoimmuna sjukdomen, ofta med antingen immunsuppressiva eller immunmodulerande läkemedel.

Cancer behandling

Exosomen har visat sig hämmas av antimetaboliten fluorouracil , ett läkemedel som används vid kemoterapi av cancer . Det är ett av de mest framgångsrika läkemedlen för behandling av solida tumörer . I jästceller behandlade med fluorouracil hittades defekter i bearbetningen av ribosomalt RNA identiska med de som sågs när exosomens aktivitet blockerades av molekylärbiologiska strategier. Brist på korrekt ribosomalt RNA-bearbetning är dödligt för celler, vilket förklarar läkemedlets antimetaboliska effekt.

Neurologiska störningar

Mutationer i exosomkomponent 3 orsakar infantil spinal motorneuronsjukdom , cerebellär atrofi, progressiv mikrocefali och djup global utvecklingsförsening, i överensstämmelse med pontocerebellär hypoplasi typ 1B ( PCH1B; MIM 614678 ).

Lista över underenheter

Legend Allmänt namn Domäner Mänsklig Jäst ( S. cerevisiae ) Archaea MW (kD) Human gen Jästgen
1 Csl4 S1 RBD hCsl4 Csl4p/Ski4p Csl4 21–32 EXOSC1 YNL232W
2 Rrp4 S1/KH RBD hRrp4 Rrp4p Rrp4 28–39 EXOSC2 YHR069C
3 Rrp40 S1/KH RBD hRrp40 Rrp40p (Rrp4) 27–32 EXOSC3 YOL142W
4 Rrp41 RNase PH hRrp41 Rrp41p/Ski6p Rrp41 26–28 EXOSC4 YGR195W
5 Rrp46 RNase PH hRrp46 Rrp46p (Rrp41) 25–28 EXOSC5 YGR095C
6 Mtr3 RNase PH hMtr3 Mtr3p (Rrp41) 24–37 EXOSC6 YGR158C
7 Rrp42 RNase PH hRrp42 Rrp42p Rrp42 29–32 EXOSC7 YDL111C
8 Rrp43 RNase PH OIP2 Rrp43p (Rrp42) 30–44 EXOSC8 YCR035C
9 Rrp45 RNase PH PM/Scl-75 Rrp45p (Rrp42) 34–49 EXOSC9 YDR280W
10 Rrp6 RNase D PM/Scl-100 Rrp6p n/a 84–100 EXOSC10 YOR001W
11 Rrp44 RNase R Dis3

Dis3L1

 Rrp44p/Dis3p n/a 105–113 DIS3

DIS3L1

YOL021C
  • A I archaea finns flera exosomproteiner närvarande i flera kopior, för att bilda hela kärnan av exosomkomplexet.
  • B Hos människor kan två olika proteiner associeras i denna position. I cellernas cytoplasma är Dis3L1 associerad med exosomen, medan Dis3 i kärnan kan binda till kärnkomplexet.
  • C Bidrar till komplexets ribonukleolytiska aktivitet.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Exosome_complex&oldid=1117061971 "