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细胞生物学杂志。1999年6月28日;145(7): 1443–1459.
数字对象标识:10.1083/jcb.145.71443
PMCID公司:PMC2133166型
PMID:10385524

Caveolin与高尔基复合体结合的分子表征:Caveolin分子中顺-高尔基靶向结构域的鉴定

摘要

小窝蛋白是一种完整的膜蛋白,是小窝的主要成分。此外,小窝蛋白被提议在细胞内隔间和细胞表面之间循环,但小窝蛋白分子中的确切运输路线和靶向信息尚未确定。我们表明,针对小窝蛋白支架结构域或小窝蛋白-1的COOH末端的抗体对小窝蛋白高尔基池具有显著的特异性,并且通过免疫荧光不识别表面小窝蛋白。为了更详细地分析小窝蛋白的高尔基靶向性,小窝蛋白突变体在成纤维细胞中表达。缺乏NH的特定突变体2末端以顺式高尔基体为靶点,但在表面小窝中无法检测到。此外,小窝蛋白-3的假定COOH末端细胞质结构域的一个32氨基酸片段被特异性和专一性地靶向高尔基复合体,并可以靶向可溶性异源蛋白,即绿色荧光蛋白。棕榈酰化缺陷型COOH末端突变体与高尔基复合体的关联可忽略不计。本研究定义了小窝蛋白分子中独特的高尔基靶向信息,并将顺式高尔基复合体确定为小窝蛋白循环途径中的中间隔室。

关键词:小窝,小窝蛋白,高尔基复合体,靶向,棕榈酰化

C类阿维奥莱是许多哺乳动物细胞类型的特征性质膜特征。自从电子显微术先驱首次可视化以来(帕拉德,1953年;山田,1955年)小窝是根据其特征形态定义的,表现为直径为55–80nm的球状无涂层内陷(Severs,1988年;安德森,1993年,1998;帕顿,1996年). 它们是许多高分化哺乳动物细胞(如脂肪细胞、平滑肌细胞和内皮细胞)的主要表面特征。在后者中,小窝菌已被证明从表面出芽,并将溶质输送穿过内皮单层(西米奥内斯库和西米奥涅斯库,1991年;Schnitzer等人,1994年). 在成纤维细胞中,小凹被认为是另一种内吞途径(Montesano等人,1982年;Tran等人,1987年;Parton等人,1994年)最近的证据表明,小窝病毒是某些病毒进入动物细胞的载体(Anderson等人,1996年;Stang等人,1997年;Parton和Lindsay,1999年).

随着小窝蛋白(VIP21/cavelin-1、cavelin-2和cavelin-3[cav-1、-2、-3])的克隆和表征,小窝蛋白领域取得了重大进展1小窝的主要膜蛋白(Glenney and Soppet,1992年;Kurzchalia等人,1992年;Way and Parton,1995年;Scherer等人,1996年;Tang等人,1996年). Caveolins是完整的膜成分,在膜中与NH形成发夹2COOH末端朝向细胞质(Dupree等人,1993年;Monier等人,1995年). Caveolins共享一个假定的33氨基酸膜内结构域,两侧是带电残基。最近的证据表明,小窝蛋白是与小窝形成有关的结构成分(帕顿,1996年)信号事件的关键监管机构(Okamoto等人,1998年)并参与胆固醇的运输和调节(Fielding and Fielding,1997年). cav-1在缺乏小窝的细胞中的表达导致小窝的从头形成(Fra等人,1995年b;Lipardi等人,1998年). 这种性质可能取决于小窝蛋白形成低聚物的自结合(Monier等人,1995年;Sargiacomo等人,1995年)以及与胆固醇的相互作用(Murata等人,1995年)和鞘糖脂(Fra等人,1995年)在洗涤剂不溶性鞘糖脂富集的表面域(DIG;帕顿和西蒙斯,1995年). 我们还假设,这种特性已被用于其他细胞表面结构域的形成,如肌肉细胞的T小管系统(Parton等人,1997年).

体外和体内积累的证据表明小窝蛋白在信号转导中起着关键作用。Caveolins显示出与小GTP结合蛋白ras的功能性相互作用(Song等人,1996年),src激酶(Li等人,1996b),三聚体G蛋白亚基(Li等人,1995年)和其他信号分子(由Okamoto等人,1998年). 有人提出,小窝蛋白寡聚体可以形成一个支架,信号分子被隔离在质膜的细胞质侧。尽管取得了这些进展,小窝的高度保守结构与其在信号传递中的作用之间的关系仍不清楚,一些细胞类型显然能够在没有内卷小窝或小窝蛋白的情况下介导信号传递事件(Fra等人,1994年;Gorodinsky和Harris,1995年).

上述大多数研究都集中于小窝蛋白的质膜作用,但有大量证据表明小窝蛋白在细胞内的功能性作用。特别是,小窝蛋白与上皮细胞中的极化囊泡交通有关(Scheiffele等人,1998年)和胆固醇运输(Smart等人,1994年,1996;Fielding and Fielding,1997年). 这两种功能似乎都依赖于小窝蛋白在细胞中的动态循环。NH抗体2cav-1末端优先标记表面小凹(Dupree等人,1993年)但针对同一蛋白质的COOH末端的抗体显示出高尔基复合体的染色模式特征(Dupree等人,1993年). 通过共焦显微镜观察,在20°C条件下,小窝蛋白与TGN中积累的病毒蛋白共定位的基础上,该模式被解释为代表TGN。这些观察结果,以及TGN后囊泡内cav-1的鉴定(Kurzchalia等人,1992年),表明cav-1在TGN和细胞表面之间不断循环(Dupree等人,1993年). 最近的研究表明,抗cav-1抗体可特异性抑制TGN向心尖表面的转运(Scheiffele等人,1998年). 这些结果以及显示胆固醇在心尖转运中作用的研究(Keller和Simons,1998年),导致了一种模型,其中小窝蛋白在TGN内脂质结构域的形成或稳定中发挥作用(Simons和Ikonen,1997年). 该模型依赖于表面和TGN之间小窝蛋白的快速运输。其他数据为cav-1较不传统的循环途径提供了证据。这些研究表明,在胆固醇氧化酶的可逆作用下,cav-1重新分布到内质网腔(Smart等人,1994年). 即使没有胆固醇氧化酶治疗,这种循环也会发生,当小窝蛋白在内质网/高尔基体中间室(ERGIC;Conrad等人,1995年). 该途径被认为在胆固醇转运中发挥作用;小窝蛋白直接结合胆固醇(Murata等人,1995年)小窝蛋白的表达增加了胆固醇从内质网到质膜的转运(Smart等人,1996年)显然是通过细胞溶质中间体(Uittenbogaard等人,1998年). 由于cav-1的表达受胆固醇调节(Fielding等人,1997年;Hailstones等人,1998年)通过胆固醇应答启动子元件(Bist等人,1997年)这表明小窝蛋白在胆固醇稳态中的主要作用。

鉴于这些明显相互矛盾的数据,我们利用免疫荧光和免疫电子显微镜以及突变方法重新评估并进一步表征了小窝蛋白的细胞内位置和路径。我们发现,针对cav-1的COOH末端或支架结构域的抗体优先标记顺高尔基体内的小窝蛋白,而不是细胞表面。高尔基体靶向信息位于小窝蛋白分子的COOH末端,并且该结构域足以将可溶性蛋白靶向高尔基体的细胞质面。

材料和方法

材料

针对与cav-3的高度保守区相对应的肽产生多克隆抗体,该肽具有用于与载体偶联的COOH末端半胱氨酸(CGFEDVIAEPEGTYSFDE)。如前所述,对抗体进行亲和纯化(Parton等人,1997年). 先前已经描述过其他域特异性小窝蛋白抗肽抗体(Dupree等人,1993年). Anti-chick caveolin(Anti-cavFL)购自Zymed实验室.抗p23的亲和纯化兔抗体(未结合和生物素化)(Rojo等人,1997年)由Manuel Rojo博士(瑞士日内瓦大学)提供。哺乳动物KDEL受体ERD2的抗体(Griffiths等人,1994年)和吉安丁(Linstedt和Hauri,1993年)是Hans-Peter Hauri博士(瑞士巴塞尔Biozentrum)和Hans-Dieter Soeling博士(德国戈廷根)的礼物。荧光素标记的抗鼠IgG、Cy3标记的抗兔IgG和Cy2标记的链霉亲和素来自Jackson ImmunoResearch。用于产生单克隆小鼠抗HA抗体的杂交瘤由大卫·詹姆斯教授(昆士兰大学)提供。兔抗HA抗体和myc标记唾液酸转移酶的cDNA均由Tommy Nilsson博士(德国海德堡EMBL)善意提供。诺卡唑购自西格玛化学公司。并保持在−20°C(DMSO中的储备溶液10 mM)。

细胞培养

如前所述生长和维持BHK细胞(格伦伯格等人,1989年). 原代人成纤维细胞是D.James教授的礼物,并在补充了10%FCS的RPMI中保存。如前所述培养C2C12细胞(Way and Parton,1995年).

重组Semliki森林病毒

根据既定方案,在BHK细胞中制备重组Semliki森林病毒(SFV)-cav-1和SFV-cav-3(Liljestrom和Garoff,1991年;Olkkonen等人,1993年). 简言之,从引入5′BamHI和3′SmaI限制性位点的原始克隆中扩增出犬型和鼠型cav-1和鼠型。在对两条链进行测序后,cDNA被克隆到pSFV1的适当位点(吉布科纽约州格兰德岛)。通过pSFV-cav-1、pSFV-cav-3和pSFV-Helper1的体外转录生成RNA,并电穿孔至BHK细胞。48小时后收集培养上清液,并在−70°C下冷冻。采集用于生产重组SFV的BHK细胞,并制备用于Western blotting。cav-1的表达水平是内源性水平的10倍以上。

对于免疫荧光实验,用未稀释的含有重组SFV的培养上清液在37°C下感染细胞1小时,然后用正常培养基将感染培养基稀释10倍,再孵育12小时。Elina Ikonen(芬兰赫尔辛基国家公共卫生研究所)。

亚细胞分离

BHK细胞组分由Jean Gruenberg教授友好地提供。BHK细胞在等渗蔗糖溶液中均质,核后上清液的膜使用分级蔗糖梯度进行分离,以产生完全符合描述的富含p23和ERD2的组分(Rojo等人,1997年).

克隆和表达

NH系列2-通过PCR从原始cDNA克隆中获得了cav-3的末端截短突变体。洞穴3DIH公司(残留物16-151),Cav3NED公司(残余物33–151),Cav3DGV公司(残留量54–151)和Cav3肯尼亚先令分别使用5′CGGGGACCACCATGGACATTCACTGCAGAGAG 3′的正向引物DIH、5′CGG GTACCATGAATGAGGACATCTGTGGAAG 3’的NED、5′的DGG GTACCACATGGACTGTGAAG的DGV和5′的CGGGACCCATGGACGGTG的KSY生成(残基108–151),反向引物RORrev 5′CCGGAATTCTAGCCTTCCCTTCGCAGCACCTT 3′。类似地,在三个假定的COOH末端棕榈酰化位点半胱氨酸突变为丙氨酸的情况下,产生了cav-1(残基135–183)的截断。使用野生型(WT)cav-1 cDNA模板生成Cav1肯尼亚先令用cav-1(Cys-Ala)cDNA模板生成Cav1肯尼亚先令Δp分别使用5′CGGGGTACCACCATAGAGAGAGTTTCCTGATTGAGATCGTC3′的正向引物CAV1(KSF)和5′ATAAGAATGCGCCTCTGTTCTCTGCATGTGTGCGG 3′的反向引物CAV 1HArev 5′。将产生的突变体克隆到pCB6KXHA中(Way和Parton,1995年)是真核表达载体pCB6的衍生物,包含HA表位标签(YPYDVPDYA),位于框架内NotI位点下游。

骑士3肯尼亚先令还用5′CCGGAATTCGAAGTACCTGAGAG3′的正向引物KSYGFP和5′TCCCCGGGTTAGCTCTCCCTTCGCAGCAC融合载体pEGFP-C1的反向引物CAV3rev 5′TCCC CGGGTAGCCTCCCTCCGCAGCACCC 3′扩增了该区域,用于在框架内插入COOH末端绿色荧光蛋白(GFP)融合载体(克隆技术公司实验室)。

Cav3的进一步截断肯尼亚先令使用以下引物组合进行类似制备;洞穴3IYS公司(残留物120–151)和Cav3IRT公司(残基125–151)分别用正向引物IYS和IRT引物5′GGAATTCACTACTCACTCGC3′,反向引物CAV3rev。

利用5′CCGGAATCAATGACCGAAGAGCACGG 3′的正向引物CAV3GFP和反向引物CavΔCrev 5′TCCCCCGGGTTAAATGCAGCACAGGC 3′,产生了Cav-3(残基1–107)的COOH末端截断突变体Cav-3ΔC。同样,使用正向引物CAV3GFPfor和反向引物CAV3rev产生全长cav-3。然后将产物克隆到pBluescript(Stratagene)中,并亚克隆到pEGFP-C1中。所有构建体的序列通过使用T3和T7引物对pBluescript中的两条链进行测序来确认。

使用脂质体转染BHK、FRT、C2C12和CV-1细胞系(GIBCO巴西雷亚尔)根据制造商的说明。简而言之,细胞分别在盖玻片和10-cm培养皿上生长至约50%的汇合点,用于免疫荧光和电子显微镜,或在10-cm培养基上生长至90%的汇合处,用于生化分析。细胞用无血清培养基清洗两次,然后以每1ml Opti-MEM中1μg DNA与5μl Lipofectamine的比例转染(GIBCO巴西雷亚尔). 转染混合物在细胞上放置6小时,然后用缺乏抗生素的正常生长介质冲洗,并在固定或收获前再培养18小时。固定前,诺卡唑在37°C下以10μM的浓度治疗2小时。

粗馏分的制备

将细胞汇合皿用冷PBS洗涤两次,然后刮入含有蛋白酶抑制剂的冰镇HES均质缓冲液(0.25 M蔗糖、1 mM EDTA和20 mM Hepes,pH 7.4)。细胞通过27-G注射器传代均匀化,细胞核和未破裂的细胞通过1000℃离心去除在4°C下保持5分钟。然后将产生的上清液在100000下离心在4°C下保持30分钟,以将细胞质(上清液)与细胞膜(颗粒)分离。对于Western分析,使用体积为1%SDS HES或体积等于上清液体积的1%Triton X-100 HES在室温下提取颗粒10分钟,然后在10000下离心在温度下保持5分钟,以去除不溶性物质。同样,在50 mM Tris、pH 8.0或0.1 M Na中对体积为1 M KCl的颗粒进行盐萃取2一氧化碳pH 11.5,等于上清液。Triton®声波风廓线仪X-114的相位分离是通过以下方法实现的博第(1981)除了膜(100000-颗粒)在初始溶液中再次悬浮。

西方印迹法

等量胞浆(100000-上清液)和洗涤剂提取的微粒体膜(100000-颗粒)在SDS-PAGE样品缓冲液中煮沸。电泳蛋白转移到Immobilon膜后(Millipore公司。)使用Bio-Rad trans-blot半干式转移池。用5%脱脂干乳TBS-T(0.15 M NaCl,0.1%吐温20和20 mM Tris,pH 7.4)封闭膜,然后在1%脱脂干奶TBS-T中稀释的特定抗体中孵育。用TBS-T清洗后,用0.2%BSA TBS-T稀释的第二抗体孵育膜。使用增强化学发光检测系统检测结合抗体(Amersham公司。).

免疫荧光显微镜

细胞生长在玻璃盖玻片上,并用甲醇(−20℃,≥5 min)或3%多聚甲醛(PFA,20℃,≤20 min)固定。用0.1%(wt/vol)皂苷在PBS中渗透PFA固定细胞5分钟,并按照前面所述进行标记(Parton等人,1997年). 对于小鼠和兔抗体的双重标记,细胞与一级抗体混合物孵育30分钟,用PBS洗涤三次,并与荧光素或Cy3标记的抗鼠IgG和Cy3或荧光素标记的抗兔IgG混合物孵养20分钟。在一些实验中,用两种兔抗体(p23和抗concav)对细胞进行双重标记。这是使用以下序列进行的:抗concav,Cy3山羊抗-兔,一种阻断无关的兔抗体(抗霍乱毒素),然后是生物素化的兔抗p23,然后是链亲和素-Cy2(Monarch Medical)。省略主要抗体的对照实验显示了标记的特异性。样品用共焦激光扫描显微镜(Bio-Rad实验室)进行分析,该显微镜配备氩和氦/氖激光,用于488和543 nm的双荧光。使用63或100×平面APOCHROMAT油浸物镜依次记录荧光素/Cy2和Cy3信号(发射过滤器:BP510-525和LP590)。对于叠加,荧光素和Cy3图像被调整为类似的输出强度,并使用Power Macintosh 7500/100计算机与Adobe Photoshop 3.0.5合并为复合RGB图像。图是用Microsoft PowerPoint排列的。

通过分析双标诺卡唑处理的细胞的共焦图像来量化结肠化,在这些细胞中,个别斑点清晰可见(例如,见图。图4)。4). 使用Adobe Photoshop的RGB功能对图像进行数字捕获和覆盖。将单独的图像调整为等效强度。然后使用IP Lab Spectrum软件分析共定位元素所占区域的图像,作为总标记区域的百分比。结果表示为五个字段±SEM的平均值。注意,该技术允许比较不同标记的重叠程度,但低估了两个标记均为阳性的实际puncta(例如,cav/p23显示63%的共定位,但>90%的puncta标记为两个标记;参见示例图。图4)。4).

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诺康唑治疗后BHK细胞中cav-1和高尔基体标记物的免疫荧光检测。用诺卡唑处理BHK细胞,使其高尔基体分散。(A) 使用针对小窝蛋白-1(cav1(FL))的商业单克隆抗体和亲和纯化的concav抗体对细胞进行内源性小窝蛋白的双重标记。这两种抗体在整个细胞内共定位。(B) 通过比较顺高尔基标记p23和表达的唾液酸转移酶(B),检测诺克唑分离高尔基标记的效率。nocodazole治疗后,内源性p23和表达的唾液酸转移酶部分分离(注意B重叠中黄色结构较少,绿色和红色点较多)。(C和D)在共焦显微镜检查之前,用cav-1(FL)和p23(C)或表达的唾液酸转移酶(D)双重标记细胞。注意,与反式标记ST.Bars 10μm相比,顺式标记p23与小凹蛋白的共定位程度更高(由更多黄点表示)。

电子显微镜

用8%多聚甲醛将细胞固定在100 mM磷酸盐缓冲液(pH 7.35)中,或在RT下用含有0.1%戊二醛的相同固定剂固定30分钟,然后按照前面所述进行冷冻切片处理(Parton等人,1997年). 如前所述,在37°C下将BSA-金作为液相标记物内化10分钟或30分钟(小林等,1998年).

结果

表位标记的Cav-1、Cav-3和内源性Cav-1在培养细胞中的定位

我们之前已经证明,当在BHK细胞中表达时,cav-1定位于高尔基复合体和表面小凹(Dupree等人,1993年). 我们研究了利用转染方法表达小窝蛋白突变体来研究小窝蛋白靶向性。由于小窝蛋白可以形成同源寡聚体,这可能会影响引入的小窝蛋白的分布,我们研究了利用cav-3来研究小窝蛋白靶向性,因为BHK细胞缺乏内源性cav-3。先前使用小窝蛋白GST融合蛋白的研究表明,cav-1FL或COOH-或NH2-末端截短突变体可以与全长cav-1寡聚,但不能与cav-3寡聚(Song等人,1997年). 在体内,当在分化的肌肉细胞中表达时,cav-1也会从cav-3中分离出来(Parton等人,1997年).

表位标记的cav-1和cav-3在BHK细胞中表达。如图所示。图1,1,A和B,cav-1和cav-3显示出类似的分布,如使用针对COOH末端表位标签的抗体(分别为VSV-G和HA)所判断的。这些蛋白质定位在细胞表面和核周区室,被认为代表高尔基复合体(Dupree等人,1993年; 见下文)。在融合到NH的GFP融合蛋白的表达中观察到类似的分布2cav-3的终点(图。(图11C) ●●●●。这些结果表明,外源表达的cav-1和cav-3在BHK细胞中定位于相同的隔室,可用于研究小窝蛋白靶向性。

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过度表达的表位标记小窝蛋白和内源性cav-1在BHK细胞和成纤维细胞中的定位。(A–C)BHK细胞转染VSV-G表位标记的cav-1(cav1(G))、HA标记的cav-3(cav3(HA)),或转染包含GFP融合到NH的融合蛋白2如图所示,cav-3(cav3(GFP))的终点。全长小窝蛋白结构定位于细胞表面和核周区。(D和E)人成纤维细胞中cav-1的免疫荧光检测。用针对NH的抗体标记培养的人成纤维细胞2如图所示,cav-1的末端或COOH末端。鉴于NH2-末端抗体呈现特征性的表面染色,针对COOH末端的抗体呈现高尔基样染色模式。棒材,10μm。

为了进一步研究小窝蛋白的亚细胞定位,我们使用一些不同的抗体和细胞系检查了内源性小窝蛋白分布。以往的研究对小窝蛋白分布的分析有所不同;一些研究表明,小窝蛋白只存在于细胞表面,除非细胞受到实验操作(Smart等人,1994年),而其他人则得出结论,洞穴动物存在于高尔基复合体中——相关的和稳定状态下的表面水池(Dupree等人,1993年). BHK、Vero和MDCK细胞系以及原代人成纤维细胞,其他人对此进行了广泛研究(Smart等人,1994年),标记有NH抗体2cav-1末端(抗cav1N)和COOH末端抗体(抗cav 1C)。在所有研究的细胞类型中都观察到类似的标记模式;抗cav1N的表面染色(例如,人成纤维细胞,图。图11D) 以及用抗cav1C抗体进行的醒目Golgi型染色(图。(图11E) ●●●●。这表明在这两个细胞位置暴露了不同的表位。

为了进一步研究这种可能性,我们通过提高针对小窝蛋白家族支架结构域的抗体,研究了已经在相互作用蛋白方面进行了广泛研究的分子结构域的暴露。这个结构域在小窝蛋白之间是保守的,因此作为一个特征基序,在进化中也是保守的(Tang等人,1997年). 在兔子体内培养针对与cav-3序列相对应的支架结构域肽的抗体(见材料和方法),并在相应的肽柱上纯化亲和力。通过Western blotting,亲和纯化抗体(抗ncav)在BHK膜中识别出约21 kD的双链(图。(图22A) 在未分化的C2C12成肌细胞膜中有一条单一的带,在分化C2C12肌管中有一个<20-kD的带(图。(图22B) ●●●●。该信号被其所升高到的特定肽(未显示)完全竞争。这表明该抗体(以共识小窝蛋白命名为anticoncav)可识别cav-1和cav-3,这是BHK细胞和C2C12成肌细胞中表达的主要亚型,并可分化C2C12肌管。通过过表达cav-1或cav-3的BHK细胞的印迹证实了这一点(图。(图22C) ●●●●。通过免疫荧光显示抗体识别过表达的cav-1、cav-2和cav-3(图。(图3,,A–C)与预测的特异性一致。

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小窝蛋白保守支架结构域抗体的特征。针对cav-3(anticoncav)保守结构域,即cav-1 NH的抗体2末端(抗cav1(N))或cav-3 NH2末端(抗cav3(N))用于印迹BHK细胞膜(A)、C2C12成肌细胞和肌管膜(B)或过度表达cav-1或cav-3(C)的BHK细胞。(A) 抗卡介苗抗体检测到BHK膜中的一个双链,上层带与较长(α)形式的卡介苗-1结合,如抗卡介株1(N)抗体所示。(B) 抗con-cav可识别未分化C2C12成肌细胞(MB)中的~21-kD带,以及分化的C2C12肌管中的<20-kD带(MT;B、d0、d1和d2表示分化天数)。相邻的印迹显示用抗cav3(N)探针检测到的相同组分。(C) 用所示抗体检测表达cav-1(1)或cav-3(3)的细胞。抗卡介苗抗体可识别过度表达的卡介苗病毒1和卡介苗毒株病毒3。

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使用抗ncav抗体对小窝蛋白进行免疫荧光检测。(A–C)用表达cav-1(A)、cav-2(B)或cav-3(C)的重组塞姆利基森林病毒感染FRT细胞。然后用亲和纯化的抗ncav抗体标记细胞,并用共焦显微镜检查。抗体通过免疫荧光识别所有三种小窝蛋白。(D–F)一些细胞类型被标记有如下抗卡夫抗体;BHK(D)、CV-1(E)、MDCK(F)和原代人成纤维细胞(G-I)。在每种情况下,标记只能在符合高尔基体定位模式的细胞核周区域检测到。在人类成纤维细胞(H和I)中使用顺高尔基标记p23进行双重标记证实了这一点。(J和K)用抗cav3(N)和抗ncav抗体对过度表达的小窝蛋白-3进行免疫荧光检测。用重组SFV感染BHK细胞表达cav-3。然后固定细胞,用抗cav3(N)抗体(J)和抗ncav抗体(K)标记,并用共焦显微镜检查。注意标签模式的巨大差异;J的表面和可能的内部染色,但K.Bars只有高尔基染色,10μm。

抗ncav在包括BHK、CV-1和MDCK的细胞株上进行了特征性的核周染色(图。(图3,,D–F)。原代人成纤维细胞显示出与高尔基标记物p23共定位的相同标记模式(图。(图3,,G–I)。这种染色模式与用NH抗体获得的染色模式不同2cav-1的末端,正如预期的那样,其给出了小窝的表面染色模式特征(图。(图11D) ●●●●。这一结果表明,抗ncav抗体不能识别表面小窝蛋白。为了测试这种可能性,我们检测了分化C2C12细胞中抗ncav的染色模式。在这些细胞中,cav-3呈现出代表表面连接T小管系统的特征染色模式(Parton等人,1997年). 如前所述,cav-3(N)抗体显示出特征性网状染色模式(Parton等人,1997年)但抗ncav未显示T小管标记(结果未显示)。然后,我们检查了当与表面分子的相互作用可能达到饱和时,细胞内小窝蛋白在过度表达后是否保持严格的特异性。即使使用重组SFV表达系统高过表达cav-3,细胞内小窝蛋白池的concav抗体仍保持严格的特异性,没有表面染色的迹象(对比图。图3J、 抗cav-3(N)与图。图3K、 防伪)。这些实验优化了抗体浓度,只允许检测过度表达的小窝蛋白,同时强调N-和concav抗体都识别相同的异源表达小窝蛋白。总之,结果表明,抗ncav和抗cavC抗体特异性识别Golgi相关的小窝蛋白,小窝蛋白转运到细胞表面时表位的可及性或构象的改变可能会抑制抗体结合。

Caveolin-1的COOH末端、Concav或纯化Caveolin的抗体定位于Cis-Golgi复合物

鉴于小窝蛋白循环的不同模型,我们试图查明小窝蛋白与高尔基复合体相关的领域。为了进行这项分析,我们使用了一种针对纯化的cav-1(抗cav1FL)的单克隆商业抗体;见图。图44A) 与顺-Golgi标记p23(Rojo等人,1997年)或TGN标记物(转染唾液酸转移酶,tST;Rabouille等人,1995年). 我们发现,根据共焦显微镜的判断,cav-1免疫标记与TGN标记物tST在对照细胞中共定位,这与以前的研究一致;(Dupree等人,1993年),但在p23中发现了相同程度的共定位(未显示)。因此,我们使用了微管解聚剂诺卡唑,它已被证明能破坏高尔基复合体(Kreis,1990年)并用于将蛋白质定位到不同的高尔基亚区(例如。,Chavrier等人,1990年;Ullrich等人,1996年). 诺卡唑治疗导致高尔基体标记分散到离散的点状物中(图。(图4)。4). 用顺式(p23)和反式高尔基体(tST)标记对诺克唑处理的细胞进行双重标记,发现这两个标记明显分离,尽管不完全分离(图。(图44B类;注意,许多punta只标记了其中一个标记)。诺卡唑治疗后,抗cav1FL与tST的共定位程度相对较低(图。(图44D) 但与p23几乎完全同位化(见图。图44C;几乎所有的p23泪点都是小窝蛋白阳性)。同位化水平也被量化为图像中同位化元素所占的面积占总标记元素的百分比(有关详细信息,请参阅材料和方法)。与定性数据一致,这些结果显示caveolin/p23(63±4%)的共定位程度远高于caveolin/tST(46±6%)或p23/tST(41±4%)。这表明小窝蛋白存在于高尔基早期,并不仅仅存在于TGN中。

免疫电镜进一步分析亚细胞定位。所有可用的抗体在完整细胞的超薄冰冻切片上对高尔基复合体进行低标记。然而,在富含p23和ERD2的BHK细胞组分的冷冻切片中(Rojo等人,1997年),抗cavC标记与p23共定位于高尔基池(图。(图5)。5). 该制剂中较高的标记可能反映了细胞溶质表位的更易接近性,如其他高尔基蛋白所述(Griffiths等人,1994年). 综上所述,结果表明,在稳态条件下,顺高尔基体中可检测到小窝蛋白。

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BHK细胞高尔基组分中小窝蛋白的免疫电镜定位。根据(Rojo等人,1997年)用p23抗体进行双重标记,然后是15nm蛋白A-金和抗cavC抗体,最后是10nm蛋白A--金。两个高尔基体堆栈显示p23和caveolin(箭头)的极化标记,如放大200 nm的B.Bars所示。

Caveolin靶向突变分析:NH靶向2-末端缺失突变体

我们研究了小窝蛋白分子的特定区域是否负责小窝蛋白定位到高尔基复合体。避免与内源性小窝蛋白相关的潜在问题(Song等人,1997年)我们制备了在BHK细胞中没有内源性表达的cav-3突变体。制备了一系列带有COOH末端HA标记的cav-3缺失突变体(见图。图66A) 并在BHK细胞中瞬时表达。如图所示。图6,6、C–F、NH2-末端缺失突变体具有重叠但不同的定位模式,具有不同程度的表面和细胞内标记。最引人注目的是,第三洞DGV公司,缺少NH2-末端区域一直延伸到支架结构域(残基54–151),没有任何表面标记的迹象,选择该突变体进行更详细的分析。洞穴3DGV公司局限于高尔基体和整个细胞的点状结构。使用HA标签抗体通过免疫电子显微镜对其进行更详细的检查(图。(图7)。7). 与共聚焦显微镜分析一致,Cav3DGV公司与高尔基复合体有关(图。(图7)7)以及细胞内囊泡元件(Roy等人,1999年). 高尔基体标记与ERD2(KDEL-receptor)共定位显示该蛋白集中在顺高尔基体复合物中(图。(图77B) ●●●●。在一小部分高表达细胞中,内质网内也观察到标记(未显示)。

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cav-3突变体的图示和免疫荧光检测。(A) 总结本研究中使用的一些突变体及其预测拓扑。(B) 带有额外COOH末端突变体的cav-3假定COOH端结构域的氨基酸序列。(C–F)BHK细胞转染一系列HA标记的小窝蛋白-3突变体,如下所示:Cav3DIH公司(面板C),第3节NED公司(D) ,第3节DGV公司(E) 和第3节肯尼亚先令(F) ●●●●。然后用HA标签抗体对其进行标记,并用共焦显微镜进行检查。虽然在A和B中有明显的表面染色和内部染色,但Cav3DGV公司构建物(E)没有表面标记,只有核周标记和点状细胞质染色。洞穴3肯尼亚先令(F) 缺乏点状标记,但也标记转染细胞的核周区域。注意,在一些高表达细胞中,标记在整个胞浆中都很明显。棒材,10μm。

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HA标记的cav3的免疫电镜定位DGV公司BHK单元中。用HA标记的cav3 cDNA转染BHK细胞DGV公司以及用HA标签抗体检测到的过度表达蛋白。固定前,细胞在37°C下与5 nm BSA-金培养10分钟。解冻后的冰冻切片用HA标签抗体标记,然后用15nm蛋白A-金标记。在B组中,切片也用ERD2抗体标记,然后用10nm蛋白A-金标记。A显示了细胞核周区的低倍视图,显示了HA标记的腔静脉3的特异性标记DGV公司高尔基复合体(g)。如面板B所示,该标签与顺高尔基标记ERD2(10纳米金,箭头)共存。标记也与囊泡结构有关(未显示)。可忽略的标记与质膜(p)、线粒体(m)和用5 nm BSA-gold标记的早期内体有关(箭头)。N、 核心。棒材,100 nm。

COOH末端Caveolin结构域的靶向性

这些研究表明,高尔基体靶向/保留信息存在于分子的COOH末端部分。为了鉴定相关结构域,我们表达了一个仅包含假定的cav-3 COOH末端细胞质结构域(残基108–151)的构建物。该结构域以前被指定为基于氨基酸序列预测的细胞质定向,基于渗透细胞中COOH末端结构域的抗体识别(Dupree等人,1993年)和体外导入实验(Monier等人,1995年). 名为Cav3的构造肯尼亚先令在带有HA表位标签的BHK细胞中表达。洞穴3肯尼亚先令靶向细胞的核周区域(图。(图66F) ●●●●。与在相同条件下表达的全长蛋白相比,表面染色不明显。在高度表达的细胞中,除高尔基复合体外,还有明显的细胞质染色(未显示)。

通过免疫电子显微镜(图。(图8)。8). 表达细胞显示表达蛋白的高尔基体标记。没有标记与质膜或其他细胞器相关。除高尔基染色外,高表达细胞在整个细胞中显示出分散的胞质染色,但与Cav3不同DGV公司-表达细胞,Cav3肯尼亚先令表达细胞从未显示出ER染色。结合免疫荧光结果,这表明小窝蛋白片段与高尔基复合体的结合是一个可饱和的过程。

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HA标记Cav3的免疫电镜定位肯尼亚先令BHK单元中。用HA标记的Cav3 cDNA转染BHK细胞肯尼亚先令以及用HA标签抗体检测到的过度表达蛋白。解冻后的冰冻切片用HA标签抗体标记,然后用15nm蛋白A-金标记。在B组中,也用p23抗体标记切片,然后用10nm蛋白A-金(箭头)标记。在C中,切片用10纳米金(箭头)标记HA,p23用15纳米金标记。A显示了一个低倍视图,其中显示了HA-tagged cav3的特定标签肯尼亚先令高尔基复合体(g)。如B所示,该标记与顺高尔基标记p23(10纳米金)共定位。C显示了提取的细胞的高尔基复合体,其中p23标记与未提取的细胞相比大大增加。p23和HA标记的Cav3的极性肯尼亚先令(箭头)很明显。可忽略标记与质膜相关(p)。棒材:(A)500 nm;(B和C)200纳米。

然后我们本地化了Cav3肯尼亚先令与定义的高尔基体标记p23、tST和giantin相关的突变(Linstedt和Hauri,1993年)在光和电子显微镜水平。骑士3肯尼亚先令在未经处理的细胞中与所有三个标记物共定位(图。(图9,9,A–F)。然而,诺康唑治疗后,顺式标记物的共定位比内侧或反式高尔基体标记物更完整(图。(图10,10,A–I)。这证实了Cav3的本地化KSY公司与内源性cav-1密切相关,表明Cav3肯尼亚先令未被错误定位到无关域。我们还研究了Cav3的分布肯尼亚先令在电子显微镜水平上,相对于确定的标记物。洞穴3肯尼亚先令显示了与顺高尔基标记p23的明显共定位(图。(图8,8、B和C)和ERD2(未显示)。在提取的细胞中(例如图。图88C) 标记清楚地显示与膜的细胞质表面有关。

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HA-标记Cav3的Colocalization肯尼亚先令在BHK细胞中具有高尔基体标记物和小窝蛋白。Cav3公司肯尼亚先令转染的BHK细胞被HA表位抗体(A、C、E、G、I和K)和顺高尔基体标记物p23(B)、中高尔基体标志物giantin(D)、TGN标记物唾液转移酶(F)和小窝蛋白(cav1C;H、J和L)抗体双重标记。然后用共焦显微镜检查细胞。所有三个高尔基体标记(A–F)均显示结肠化。HA标记Cav3的(G-L)免疫定位肯尼亚先令和内源性cav-1。在许多细胞中,HA标记的cav3肯尼亚先令和小窝蛋白共定位(G和H)。然而,一致的观察结果是,在许多Cav3肯尼亚先令转染细胞(变化在30%到40%之间;五个独立实验)内源性cav-1信号减弱或检测不到(I和J)。诺卡唑治疗并没有消除这种信号丢失(K和L)。棒材,10μm。

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HA标记Cav3的免疫定位肯尼亚先令用诺康唑处理的转染BHK细胞,引起高尔基体分散。用HA标记的Cav3转染BHK细胞KSY公司或双重转染HA标记的Cav3肯尼亚先令然后在固定前用10μM诺卡唑处理2 h,以获得高尔基体标记的分离。然后用HA标签抗体和p23(A–C)、giantin(D–F)或表位标记的唾液酸转移酶(ST;G–I)抗体对细胞进行双重标记。然后用共焦显微镜检查细胞。对覆盖图(如C、F和I所示)的仔细检查表明,HA标签与p23(A–C)的共定位比与giantin(D–F)或tST(G–I)的共定域更完整(与F相比,C中完全黄色的点所占比例相对较高,更引人注目的是,I)。棒材,10μm。

Cav3的分布肯尼亚先令关于内源性小窝蛋白也进行了检测。洞穴3肯尼亚先令根据共焦免疫荧光显微镜的判断,显示与小窝蛋白COOH末端的抗体共定位(图。(图9,9、G和H)。相反,正如预期的NH抗体2小窝蛋白的末端仅标记表面小窝蛋白,没有与Cav3共定位KSY公司(未显示)。Cav3中的一致观察肯尼亚先令-在表达细胞亚群(30-40%)中,内源性高尔基小窝蛋白标记的表达细胞显著减少(图。(图9,9、I和J)。这种减少似乎与表达水平无关,并通过不同的标记序列观察到,与诺康唑联合治疗(图。(图9,9(K和L)和三种不同的抗小窝蛋白抗体,它们识别分子的不同结构域。这表明Cav3的关联肯尼亚先令高尔基复合体降低了小窝蛋白抗体对内源性小窝蛋白的可及性,或者更有可能减少高尔基相关小窝蛋白池。

尽管小窝蛋白的齐聚已被证明在体外具有等型特异性(Song等人,1996年),可能性仍然是高尔基与Cav3的结合肯尼亚先令可能代表与内源性高尔基窝蛋白的关联。为了在体内测试这一点,我们使用了缺乏小窝蛋白和小窝蛋白的上皮细胞系FRT(Lipardi等人,1998年). 洞穴3肯尼亚先令在这些细胞中表达的高尔基复合体显示出特征性染色(图。(图11,11,A和B)与p23共定位(未显示),强烈表明Cav3与肯尼亚先令不依赖内源性小窝蛋白。通过Cav3的双重转染进一步验证了这一点肯尼亚先令和野生型cav-1或GFP标记的cav-3。洞穴3肯尼亚先令与高尔基复合体中表达的蛋白共定位,但即使在全长cav-3、Cav3高过表达后肯尼亚先令未招募到细胞表面(未显示)。为了检查Cav-3的COOH末端的移除是否导致高尔基体定位的丧失,Cav-3ΔC与NH2末端GFP标签在BHK细胞中表达。该蛋白仅显示与内质网定位一致的网状染色模式(未显示)。尽管这些结果与小窝蛋白与高尔基复合体结合中COOH末端的作用一致,但它们可能表明折叠/齐聚作用的普遍扰动导致内质网缺乏转运。然而,我们的结果表明,小窝蛋白的COOH末端细胞质结构域以可饱和的方式与顺式高尔基复合体结合。

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cav-3的COOH末端结构域标记FRT细胞的高尔基体,并可将细胞溶质蛋白靶向高尔基复合体。(A和B)HA标记Cav3的免疫荧光肯尼亚先令在FRT细胞中。FRT细胞是一种不表达内源性小窝蛋白的上皮细胞系,用HA标记的Cav3转染FRT细胞肯尼亚先令虽然许多细胞在细胞质(A)中显示HA标记,但所有细胞都与与p23共定位的核周结构(B)有关(未显示)。(C和D)GFP-Cav3的本地化肯尼亚先令转染BHK细胞。用GFP-Cav3转染BHK细胞肯尼亚先令融合蛋白。除了清晰的高尔基体标记(C)外,大多数表达细胞在细胞质中都有标记。在一些高表达细胞中,高尔基体出现形态变化(D)。(E–H)BHK细胞转染小窝蛋白突变体,如共焦显微镜所示和定位。(E和F)转染Cav3IYS公司(见图。图6)6)局限于高尔基复合体,而Cav3IRT公司无论表达水平如何,始终显示出更弥漫的染色。Cav-1的(G和H)免疫定位肯尼亚先令和棕榈酰化缺陷突变体Cav-1肯尼亚先令Δp。洞穴-1肯尼亚先令通常显示出特征性高尔基体标记模式,而那些转染Cav-1的人肯尼亚先令Δp始终呈现更为弥漫的细胞质标记。棒材,10μm。

洞穴3肯尼亚先令可以将异源细胞质蛋白靶向高尔基复合体

为了研究cav-3的COOH末端是否可以靶向高尔基复合体的异源蛋白,高尔基复合体是一种包含Cav3的融合蛋白肯尼亚先令融合到GFP的COOH末端。GFP-Cav3肯尼亚先令融合蛋白在CMV启动子下在BHK细胞中表达。融合蛋白是专门针对高尔基复合体的(图。(图1111C) 其中它与p23同处(未显示)。在大多数细胞中,细胞质染色也与靶向机制的饱和度明显一致(图。(图1111C) ●●●●。此外,在高表达细胞中,GFP-Cav3肯尼亚先令标记细胞核周区大泡状结构的外围(图。(图1111D) ●●●●。这些实验表明,cav-3的COOH末端结构域足以将异源细胞溶质蛋白定位到高尔基复合体。

我们通过将COOH末端片段表达为与GFP的融合蛋白,对高尔基体定位所需的COOH端细胞质结构域区域进行了初步表征。32氨基酸片段(Cav3IYS公司; 见图。图66B) 与GFP融合显示高尔基复合体的特征染色模式(图。(图1111E) ●●●●。相反,所有表达Cav3的细胞IRT公司缺失Cav3前五个氨基酸的突变体IYS公司(参见图。图66B) ,在整个细胞中始终显示分散的标记(图。(图1111F) ●●●●。观察到的两个突变体之间的差异与表达水平无关。总之,我们已经确定了小窝蛋白分子的一个独特结构域,可以将外源蛋白靶向高尔基复合体的一个特定结构域。

Caveolin COOH末端结构与膜紧密结合:高尔基体结合中棕榈酰化的推测作用

最后,我们检查了Cav3关联的性质肯尼亚先令高尔基复合体。表达Cav3的BHK细胞肯尼亚先令收集、均质并通过离心分离成粗胞浆和膜组分。最初用含有1%SDS或1%Triton X-100的缓冲液提取膜。图。图1212A表明,这两种清洁剂都提取了一种被抗HA抗体识别的约5kD的肽,而该肽在模拟转染的对照细胞中不存在。用1 M KCl或碱性0.1 M Na处理2一氧化碳两者都未能提取Cav3肯尼亚先令从颗粒(图。(图1212B) ●●●●。确认Cav3的表观疏水性肯尼亚先令用Triton X-114处理膜,使两亲性蛋白质与亲水蛋白质相分离。图。图1212C表示Cav3肯尼亚先令仅在两亲Triton®声波风廓线仪X-114相位中检测到。然后我们检测了GFP-Cav3的膜结合肯尼亚先令奇梅拉。虽然表达的WT-GFP主要位于可溶性部分,正如细胞溶质蛋白预测的那样,但大多数GFP-Cav3肯尼亚先令针对膜部分(图。(图1212D) ●●●●。

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Cav3的生化特性肯尼亚先令.(A)HA标记的Cav3的清洁剂溶解度肯尼亚先令Western blotting用于鉴定抗HA抗体识别的表位标记蛋白。在胞浆部分未观察到明显信号。膜分析(100000-用1%Triton X-100和1%SDS提取的颗粒)在转染样品中显示出由抗HA抗体识别的~5-kD带。(B) 从膜(100000)中提取后上清液和颗粒(p)的比较-颗粒),含1 M KCl和碱性0.1 M Na2一氧化碳显示Cav3肯尼亚先令保留在不溶部分中。(C) 用Triton X-114从膜中分离两亲性和亲水性蛋白质显示Cav3肯尼亚先令划分为Triton®声波风廓线仪X-114相位。(D) 抗GFP抗体的Western blot显示转染WT-GFP、GFP-Cav3的相对分布KSY公司,和在BHK粗胞质溶胶(s)和膜(p)级分中的GFP-Cav3(FL)。

Cav-1已被证明是棕榈糖基化的,因此我们检查了这种脂质修饰是否需要用于COOH末端小窝蛋白片段的高尔基体定位。已经描述并表征了一种全长的cav-1结构,其中三个COOH末端棕榈酰化半胱氨酸突变为丙氨酸(cav-1Cys-Ala)(Dietzen等人,1995年;Monier等人,1996年). 我们使用WT cav-1构造来生成Cav3的cav-1等价物肯尼亚先令(第1节肯尼亚先令)和Cav-1Cys-Ala cDNA生成相应的Cys-Ala突变体(Cav-1肯尼亚先令Δp)。每个构造都包含一个COOH终端HA-tag。构建物在BHK细胞中表达,并通过免疫荧光检测其分布。如预期,Cav-1肯尼亚先令具体定位于高尔基复合体,与cav-3结构的结果一致(图。(图1111G) ●●●●。相反,表达Cav-1的细胞肯尼亚先令Δp未显示特征性高尔基染色(图。(图1111H) 尽管都是Cav-1肯尼亚先令和Cav-1肯尼亚先令Δp是生物化学判断的膜相关(未显示)。这些结果表明,棕榈糖基化在小窝蛋白COOH末端与高尔基复合体的特异性结合中起作用。

讨论

要理解小窝蛋白的作用,关键是要确定这个蛋白质家族的确切细胞分布和细胞内行程。在本研究中,我们使用不同的特异性抗体定位小窝蛋白,并分析小窝蛋白分子中的靶向信息。特别是,我们已经表明,除了表面小窝外,小窝蛋白在所有研究的细胞类型中也和顺高尔基体相关。然而,不同的表位暴露在这些位置。然后,我们使用突变方法检查小窝蛋白循环和靶向性。NH2蛋白质的末端被证明是小窝靶向所必需的,而COOH末端包含一个高尔基体靶向基序,该基序足以将异源蛋白质靶向高尔基体。

小窝蛋白在细胞表面的信号转导中发挥着重要作用,许多信号分子被假定与小窝蛋白直接相互作用。细胞转化后,小窝蛋白水平降低(Koleske等人,1995年)也有研究表明,小窝蛋白在Rous肉瘤病毒转化后被磷酸化(格伦尼,1989年;Li等人,1996b)或用胰岛素刺激脂肪细胞(Mastick等人,1995年;Mastick和Saltiel,1997年). 考虑到这些主要分配给质膜的功能,最初似乎有点令人惊讶的是,小窝蛋白在细胞表面和细胞内小室之间循环。事实上,早期研究表明,小窝蛋白是一种基于免疫荧光和包埋前免疫电子显微镜的表面蛋白(Rothberg等人,1992年). 其他研究表明,小窝蛋白与高尔基复合体有关,但这个位置只能通过某些抗体观察到(Dupree等人,1993年)或蛋白质过表达(Kurzchalia等人,1992年). 该标记被分配给TGN和外显小泡,与高尔基体和细胞表面之间的常规循环路径一致。后来的工作概述了小窝蛋白分子的一个非常独特的循环途径,包括小窝蛋白向内质网和顺高尔基体的转运。在这些研究中,caveolin与对照细胞(人成纤维细胞)的质膜相关,但只有在用胆固醇氧化酶或诺康唑治疗后才能重新分配到细胞内的隔室(Smart等人,1994年;Conrad等人,1995年). 随后的研究提出了一种可能性,即小窝蛋白在哺乳动物细胞中的主要功能是调节胆固醇转运(Fielding and Fielding,1997年). 为了理解这些过程,必须确定小窝蛋白的分布和路线,并定义分子机制。本研究已开始解决这些问题,并为进一步分析提供工具。

首先,我们已经证明,在所研究的所有细胞类型中,高尔基复合体中都存在小窝蛋白池。然而,我们的研究证明了与定位小窝蛋白相关的一些困难。不同的抗体清楚地识别不同的蛋白质池,至少从免疫荧光上可以看到。特别令人感兴趣的是一种新抗体,其特征是针对小窝蛋白分子的支架结构域提出的。这个结构域在进化过程中高度保守(Tang等人,1997年)在不同的哺乳动物小窝蛋白之间(帕顿,1996年)与此一致,我们已经证明它能识别所有三种哺乳动物的小窝蛋白。该结构域与许多信号分子相互作用(Li等人,1996a)也参与自结合形成低聚物(Sargiacomo等人,1995年). 值得注意的是,尽管存在这些蛋白-蛋白质相互作用,抗体通过免疫荧光发出特定信号,但通过这项技术只能识别高尔基体形式的蛋白质。针对COOH末端的抗体也具有类似的特异性。选择性的分子基础尚不清楚。寡聚化已被证明在共翻译插入内质网后立即在生物合成途径的早期发生。我们怀疑蛋白质和脂质的高阶复合物可能会限制抗体的获取。事实上,在超薄冰冻切片中,针对COOH末端或保守结构域的抗体确实识别表面蛋白,这表明表位在切片时暴露(结果未显示)。这表明蛋白质-蛋白质的相互作用可能不是阻断可及性的原因。无论是什么机制,很明显,在解释基于单一抗体的小窝蛋白定位时都应该小心。

我们还能够根据免疫电子显微镜与特定标记物的共定位,将小窝蛋白可检测到的高尔基体域定义为顺高尔基复合体。这可能代表了一个小窝蛋白池,它通过整个高尔基体和TGN循环到表面,因为在高尔基体衍生的胞外囊泡中检测到了cav-1(Kurzchalia等人,1992年)并直接参与到上皮细胞顶端细胞表面的胞外转运(Scheiffele等人,1998年). 这意味着小窝蛋白遵循一条不寻常的循环途径到达生物合成途径的早期隔室,这与呋喃和TGN38等分子所遵循的途径不同(查普曼和蒙罗,1994年). 通过这种方式,结果与那些显示小窝蛋白对胆固醇氧化酶或诺卡唑反应而重新分布的结果一致(Smart等人,1994年;Conrad等人,1995年). 然而,我们的结果在其他方面存在显著差异。最值得注意的是,在所有研究的细胞类型中,包括上述研究中使用的人类成纤维细胞,小窝蛋白不仅在表面上可以检测到,在所有测试条件下,在高尔基复合体中也可以检测到。诺康唑治疗后,表面小窝蛋白的分布没有改变(未显示)。我们随后的实验旨在进一步分析小窝蛋白的高尔基结合,并通过小窝蛋白分子的突变分析来确定这种靶向性的分子基础。

Caveolin靶向突变分析

我们选择使用BHK细胞中表达的肌特异性小窝蛋白亚型cav-3来分析小窝蛋白的靶向性。第一个引人注目的观察结果是,缺乏前54个氨基酸的截断突变体不再与表面小窝相关,这是通过免疫荧光和免疫电子显微镜用(COOH-末端)表位标记结构和(NH-末端)2-末端)GFP标记的融合蛋白。相反,去除前33个氨基酸对表面定位没有影响。这可能表明残基33-54是小窝菌靶向或保留所必需的,或者至少意味着前54个氨基酸的去除会破坏这一过程。整个NH的表达2末端产生一种可溶性蛋白,与膜无明显关联(结果未显示)。

然后我们继续分析高尔基体结合所需的小窝蛋白分子的结构域。NH的去除2末端对高尔基体蛋白的定位无影响。因此,我们研究了COOH末端是否包含高尔基体靶向信息。令人惊讶的是,假定的COOH末端结构域与顺高尔基体相关,即使是单独表达,也可能是可溶性蛋白。此外,该结构域能够将外源可溶性蛋白GFP靶向高尔基体。值得注意的是,GFP与NH融合2结构的末端,代替假定的膜内结构域。将GFP靶向高尔基体所需的结构域缩小到32个氨基酸的相对疏水区域,其中前五个氨基酸是必需的。该区域与其他高尔基相关蛋白的氨基酸序列没有显著同源性。这个小结构域足以用于高尔基体靶向,尽管通常膜蛋白的一部分可以在可溶性蛋白的上下文中发挥作用。鉴于最近的报道,小窝蛋白并不总是一种完整的膜蛋白,但可以与胆固醇和伴侣存在于细胞溶质复合体中,因此这种特性可能并不令人惊讶(Uittenbogaard等人,1998年). 我们的形态学研究表明,与高尔基复合体的结合是一个可饱和的过程,因为高表达细胞通过免疫荧光(尤其是GFP标记结构)和免疫电子显微镜在整个细胞中显示出标记。

与高尔基复合体结合的分子基础是什么?我们的研究表明,该蛋白与内源性小窝蛋白无关,这与小窝蛋白寡聚物形成的体外研究一致(Song等人,1997年). 因此,小窝蛋白COOH末端可能与特定高尔基体成分相互作用。我们的生物化学研究表明,与细胞膜有着惊人的紧密联系。经过清洁剂处理,但pH值不高的碳酸钠释放出GFP-Cav3肯尼亚先令膜融合蛋白。一种可能性是像cav-1(Dietzen等人,1995年;Monier等人,1996年),cav-3是棕榈糖基化的,这种修饰参与高尔基体膜的结合。事实上,我们表明,cav-1的相应结构域也优先与高尔基复合体结合,当三个COOH末端半胱氨酸修饰为丙氨酸时,这种特异性定位丢失。这三个半胱氨酸残基在体内被证明是棕榈糖基化的,并在稳定高阶低聚物中发挥作用(Monier等人,1996年)但不是针对卡沃莱(Dietzen等人,1995年;Monier等人,1996年; Parton,R.和T.Kurzchalia,未发表的观察)。Cav-1可以在COOH末端的所有三个半胱氨酸残基上棕榈酰化(Monier等人,1996年). 虽然单独的棕榈酰化不能介导与高尔基体的特异性结合,但脂质修饰可能有助于与高尔基膜紧密结合,并与蛋白质相互作用。有趣的是,许多其他高尔基体蛋白是棕榈糖基化的,例如谷氨酸脱羧酶亚型GAD65(Solimena等人,1994年;Dirkx等人,1995年)和eNOS(Sessa等人,1995年;Liu等人,1997年)但高尔基体组合不需要棕榈酰化。有趣的是,eNOS在表面小窝和高尔基复合体之间循环,并显示出与小窝蛋白的功能性相互作用(Michel等人,1997年;Feron等人,1998年). 棕榈酰化与膜相关蛋白向DIG的横向分离有关(见引言),但与全长小窝蛋白不同,Cav3肯尼亚先令洗涤剂可溶(结果未显示)。由于洗涤剂不溶性是在后期高尔基体/TGN中获得的(Scheiffele等人,1998年)这与提议的cis-Golgi位置一致。

除了蛋白质相互作用外,Cav3的高尔基体结合可能肯尼亚先令依赖于特定的脂质相互作用。最近有研究表明,细胞质中与高尔基复合体结合以对氧甾醇作出反应的氧甾醇结合蛋白,通过与磷脂酰肌醇多磷酸盐和其他高尔基决定簇的相互作用,特异性地靶向该隔室(Levine和Munro,1998年). 小窝蛋白的COOH末端高尔基体靶向片段相对疏水,二级结构预测显示可能存在螺旋构象,但该结构域似乎不太可能插入高尔基体膜。先前的研究表明,含有cav-1的COOH末端的融合蛋白在体外合成后与细胞膜无关(Monier等人,1995年). 由于COOH末端抗体特异性地识别非洗涤剂渗透细胞中的高尔基小窝蛋白,因此在体内也可以获得这种cav-1结构域(Dupree等人,1993年). 它也被证明在体外与信号分子如n-NOS和c-src相互作用(Venema等人,1997年). 无论分子机制如何,我们的实验都显示了高尔基复合体这一结构域的显著特异性,并应为进一步分析高尔基体定位的分子基础提供强有力的工具。此外,这里描述的KSY和DGV突变体对小窝介导的事件(包括猴病毒40和Ras信号的感染)具有功能性影响(Roy等人,1999年). 有趣的是,本研究表明,COOH末端突变体的表达导致高尔基体区域可检测到的小窝蛋白显著减少,但仅在群体中的一些细胞中。这种效应与表达水平无关,因此细胞间差异明显的原因尚不清楚。一种可能是小窝蛋白在细胞周期不同阶段的循环不同。

这里提供的数据为这类重要蛋白质的定位和靶向提供了重要的新见解,在未来的小窝蛋白功能模型中应考虑到这类蛋白质。小窝蛋白分子的突变切割似乎是一种特别有效的方法,可以深入了解小窝蛋白的功能和动力学,更详细的突变研究应该为组成小窝膜系统的复杂动态机制提供进一步线索。

致谢

我们要感谢大卫·詹姆斯和让·格伦伯格在整个工作过程中进行了多次讨论,并对手稿进行了批判性阅读。我们还要感谢Tommy Nilsson的cDNA构建和抗原表位抗体;Jean Gruenberg和Manuel Rojo提供膜组分和抗体;和Elina Ikonen提供重组cav-2-Semliki森林病毒构建物。特别感谢科林·麦奎因在光学显微镜方面的帮助。

这项工作得到了澳大利亚国家卫生和医学研究委员会的资助。分子和细胞生物学中心是澳大利亚研究委员会的一个专门研究中心。

本文中使用的缩写

小窝蛋白-1-2,-3,小窝蛋白-1,-2,-3
GFP公司绿色荧光蛋白
SFV(SFV)塞姆利基森林病毒
重量野生型

脚注

Espen Stang博士现在的地址是挪威奥斯陆国立医院病理研究所。

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文章来自细胞生物学杂志由以下人员提供洛克菲勒大学出版社