Das Cytosol ist eine halbflüssige Substanz, die das Innere der Zelle füllt und die anderen Organellen und subzellulären Kompartimente einbettet (Clegg JS. (1984)). Das Zytosol selbst ist von der Zellmembran und den Membranen verschiedener Organellen umschlossen und bildet so ein separates zelluläres Kompartiment. Zusammen bilden das Zytosol und alle Organellen außer dem Kern das Zytoplasma. Beispielbilder von Proteinen, die im Cytosol lokalisiert sind, sind in Abbildung 1 zu sehen.,
Es wurde gezeigt, dass 4740 Gene (24% aller proteinkodierenden menschlichen Gene) im Zellatlas Proteine kodieren, die sich im Cytosol und seinen Unterstrukturen lokalisieren (Abbildung 2). Die Analyse des zytosolischen Proteoms zeigt eine Anreicherung von Begriffen für biologische Prozesse im Zusammenhang mit Proteinmodifikation, mRNA-Abbau, Stoffwechselprozessen, Signaltransduktion und Zelltod. Etwa 79% (n=3738) der zytosolischen Proteine lokalisieren sich zusätzlich zum Cytosol in anderen zellulären Kompartimenten. Die häufigsten zusätzlichen Stellen sind der Kern und die Plasmamembran.,
G3BP1 – U-251 MG
QARS – U-2-OS –
MTHFS – U-2 OS
Abbildung 1. Beispiele für Proteine, die im Cytosol lokalisiert sind. G3BP1 ist ein im Cytosol lokalisiertes Enzym und spielt eine Rolle im Signaltransduktionsweg (nachgewiesen in U-251 MG-Zellen). QARS katalysiert die Aminoacylierung von tRNA durch ihre assoziierte Aminosäure (nachgewiesen in U-2 OS-Zellen). MTHFS ist ein Enzym, das an Stoffwechselprozessen beteiligt ist (nachgewiesen in U-2 OS-Zellen).
- 24% (4740 Proteine) aller menschlichen Proteine wurden experimentell im Cytosol durch den menschlichen Proteinatlas nachgewiesen.,
- 1665 Proteine im Cytosol werden durch experimentelle Beweise gestützt und von diesen 354 Proteinen werden durch den menschlichen Proteinatlas verstärkt.
- 3738 Proteine im Cytosol haben mehrere Standorte.
- 676 Proteine im Cytosol zeigen eine Zelle-zu-Zelle-Variation. Von diesen zeigen 582 eine Variation der Intensität und 105 eine räumliche Variation.
- Cytosolische Proteine sind hauptsächlich an Proteinmodifikation, mRNA-Abbau, Stoffwechselprozessen, Signaltransduktion und Zelltod beteiligt.
Abbildung 2., 24% aller menschlichen proteinkodierenden Gene kodieren für Proteine, die im Cytosol lokalisiert sind. Jede Leiste ist anklickbar und gibt ein Suchergebnis von Proteinen, die zu der ausgewählten Kategorie gehören.
Zusammensetzung des Cytosols
Unterstrukturen
- Aggresom: 21
- Cytosol: 4658
- Zytoplasmatische Körper: 77
- Stäbe & Ringe: 20
Das Cytosol macht etwa 70% des Gesamtvolumens menschlicher Zellen aus und ist sehr überfüllt und komplex (Luby-Phelps K. (2013))., Das Zytosol besteht hauptsächlich aus Wasser (ungefähr 70% des Volumens) und Proteinen (20-30% des Volumens) (Luby-Phelps K. (2000); Ellis RJ. (2001)). Anstelle einer Flüssigkeit wird es oft als hydrophile geleeartige Matrix beschrieben, die eine freie Bewegung von Ionen, hydrophilen Molekülen und Proteinen, aber auch größeren Strukturen wie Proteinkomplexen und Vesikeln über die Zelle ermöglicht. Ionen wie Kalium, Natrium, Bicarbonat, Chlorid, Calcium, Magnesium und Aminosäuren sind ebenfalls wichtige Bestandteile des Cytosols., Die Konzentrationsunterschiede dieser Ionen zwischen dem Cytosol und der extrazellulären Flüssigkeit oder cytosolischen Organellen sind für viele zelluläre Funktionen essentiell, um beispielsweise die Zell-zu-Zell-Kommunikation an den Synapsen von Nervenzellen zu ermöglichen. Der menschliche zytosolische pH-Wert liegt zwischen 7,0 und 7,4 und ist normalerweise höher, wenn die Zelle wächst (Bright GR et al. (1987)).
Beispielbilder des von MTHFD1 kodierten Proteins, das in 3 verschiedenen Zelllinien gefärbt ist, sind in Abbildung 3 zu sehen.
MTHFD1
MTHFD1
MTHFD1
Abbildung 3., Beispiele für die Morphologie des Zytosols in verschiedenen Zelllinien, dargestellt durch Immunfluoreszenzfärbung des Proteins MTHFD1 in A-431, U-251 MG und U-2 OS Zellen.
Das Cytosol enthält auch verschiedene nicht membrangebundene Strukturen, einschließlich zytoplasmatischer Einschlüsse wie Glykogen -, Pigment-und Kristallineinschlüsse sowie zytoplasmatische Körper wie P-Körper und Stressgranulate. Aggresome sind große Einschlusskörper, die beim aktiven retrograden Transport von fehlgefalteten Proteinen entlang von Mikrotubuli gebildet werden (Kopito RR. (2000))., Diese Sequestrierung hat zytoprotektive Funktion, für aggregierte Proteine, die nicht durch proteosomalen Abbau gelöscht werden. P-Körper sind nicht membrangebundene Herde von mRNA und Proteinen, die beim RNA-Umsatz, bei der translationalen Repression, beim RNA-vermittelten Silencing und bei der RNA-Speicherung (A, A et al. (2008)). Eine seltene und kürzlich entdeckte Struktur, die im Zytosol auftreten kann, sind Stäbchen und Ringe (RRs)., Dies sind filamentartige Strukturen, die Proteine enthalten, die an der Biosynthese von Nukleotiden beteiligt sind, die ursprünglich unter Verwendung menschlicher Autoantikörper entdeckt wurden ,aber über ihre biologische Funktion ist wenig bekannt (Carcamo WC et al. (2014)).
Eine Auswahl von Proteinen, die als Marker für das Cytosol geeignet sind, ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1. Auswahl von Proteinen, die als Marker für das Zytosol geeignet sind.,olyl-tRNA synthetase
Function of the cytosol
The cytosol has an important role in providing structural support for other organelles and in allowing transport of molecules across the cell., Zum Beispiel müssen Metaboliten häufig über das Zytosol vom Bereich ihrer Produktion zu dem Ort transportiert werden, an dem sie benötigt werden, und verschiedene Signale müssen von der Zellmembran zu den Zielkompartimenten übertragen werden. Darüber hinaus treten im Zytosol viele wichtige zelluläre Prozesse und Reaktionen auf, insbesondere metabolischer Natur. Diese Prozesse umfassen die Proteinsynthese durch Translation, die erste Stufe der Zellatmung durch Glykolyse und die Zellteilung durch Mitose und Meiose., Das Cytosol spielt auch eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung von Gradienten über die Membranen, was für die Zellsignalisierung, Osmose und Zellerregbarkeit wichtig ist (Lang F. (2007)).
Eine Liste hoch exprimierter zytosolischer Proteine ist in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Gen Ontology (GO)-basierte Analyse des zytosolischen Proteoms zeigt eine Anreicherung von Begriffen, die gut mit den bekannten Funktionen des Zytosols übereinstimmen., Die am stärksten angereicherten Begriffe für den biologischen Prozess der GO-Domäne beziehen sich auf Translation, posttranslationale Modifikationen, Signalwege und Zelltod (Abbildung 4a). Die Anreicherung Die Analyse der molekularen Funktion der GO-Domäne zeigt auch eine signifikante Anreicherung für Begriffe im Zusammenhang mit Translation und Proteinstoffwechsel (Abbildung 4b).
Abbildung 4a. Gen-Ontologie-basierte Anreicherung, – Analyse für das zytosol Proteom zeigt die signifikant angereicherten Bedingungen für das GEHEN domain Biologischen Prozess., Jede Leiste ist anklickbar und gibt ein Suchergebnis von Proteinen, die zu der ausgewählten Kategorie gehören.
Abbildung 4b. Gen-Ontologie-basierte Anreicherung, – Analyse für das zytosol Proteom zeigt die signifikant angereicherten Bedingungen für das GO-Domäne-Molekulare Funktion. Jede Leiste ist anklickbar und gibt ein Suchergebnis von Proteinen, die zu der ausgewählten Kategorie gehören.
Tabelle 2. Hoch exprimierte einzelne lokalisierende zytosolische Proteine über verschiedene Zelllinien.,c“>91
Cytosol proteins with multiple locations
Approximately 79% (n=3738) of the cytosolic proteins detected in the Human Protein Atlas also localize to other cellular compartments (Figure 5)., Das Netzwerkdiagramm zeigt, dass die häufigsten Kompartimente, die Proteine mit dem Zytosol teilen, der Kern, die Plasmamembran und die Nukleolen sind. Insbesondere Proteine, die sowohl zum Cytosol als auch zum Kern lokalisieren, sowie das Cytosol und die Plasmamembran sind überrepräsentiert. Es ist bekannt, dass viele Proteine zwischen dem Cytosol und diesen Kompartimenten transportiert werden oder kontinuierlich pendeln, einschließlich Transkriptionsfaktoren, ribosomalen Proteinen und Signalmolekülen. Beispiele für multilokalisierende Proteine innerhalb des zytosolischen Proteoms sind in Abbildung 6 zu sehen.,
Abbildung 5. Interaktives Netzwerkdiagramm der Cytosolproteine mit mehreren Lokalisierungen. Die Zahlen in den Verbindungsknoten zeigen die Proteine, die im Cytosol und an einem oder mehreren zusätzlichen Stellen lokalisiert sind. Es werden nur Verbindungsknoten gezeigt, die mehr als ein Protein und mindestens 0,5% Proteine im zytosolischen Proteom enthalten. Die Kreisgrößen beziehen sich auf die Anzahl der Proteine., Die zyanfarbenen Knoten zeigen Kombinationen, die signifikant überrepräsentiert sind, während magentafarbene Knoten Kombinationen zeigen, die im Vergleich zur Wahrscheinlichkeit, diese Kombination basierend auf der Häufigkeit jeder Anmerkung und einem hypergeometrischen Test zu beobachten, signifikant unterrepräsentiert sind (p<=0.05). Beachten Sie, dass diese Berechnung nur für Proteine mit zwei Lokalisierungen durchgeführt wird. Jeder Knoten ist anklickbar und führt zu einer Liste aller Proteine, die in den verbundenen Organellen gefunden werden.
RPL10A
STAT5A
DDX55
Abbildung 6., Beispiele für multilokalisierende Proteine im zytosolischen Proteom. RPL10A ist ein bekanntes ribosomales Protein, welches zur Bildung der entsprechenden ribosomalen Untereinheiten benötigt wird. Es wurde gezeigt, dass es sowohl die Nukleolen als auch das Cytosol lokalisiert (nachgewiesen in U-2 OS-Zellen). STAT5A gehört zur Familie der STAT-Transkriptionsfaktoren. Es transloziert aus dem Zytosol in den Kern als Reaktion auf Phosphorylierung (nachgewiesen in A-431-Zellen). DDX55 ist ein Mitglied der DEAD Box-Proteinfamilie, das an mehreren zellulären Prozessen beteiligt ist, bei denen die RNA-Sekundärstruktur verändert wird., Es wurde gezeigt, dass es sich im Kern, in den Nukleolen und im Cytosol lokalisiert (nachgewiesen in A-431-Zellen).
Expressionsniveaus von Cytosol-Proteinen im Gewebe
Die Transkriptomanalyse und Klassifizierung von Genen in Gewebsverteilungskategorien (Abbildung 8) zeigt, dass Gene, die für Proteine kodieren, die auf das Cytosol und seine Unterstrukturen lokalisiert sind, eine ähnliche Verteilung haben wie alle Gene im Zellatlas, jedoch mit einer kleinen, aber signifikanten Abnahme des Anteils von gened für whcih ist die Expression auf einige Gewebe beschränkt.
Abbildung 7., Balkendiagramm, das den Prozentsatz der Gene in verschiedenen Gewebeverteilungskategorien für Cytosol-assoziierte proteinkodierende Gene im Vergleich zu allen Genen im Zellatlas zeigt. Sternchen markiert eine statistisch signifikante Abweichung (p≤0,05) in der Anzahl der Gene in einer Kategorie basierend auf einem binomialen statistischen Test. Jede Leiste ist anklickbar und gibt ein Suchergebnis von Proteinen, die zu der ausgewählten Kategorie gehören.