I bakegjær kalles de Ypt-proteiner. Eukaryote celler inneholder et nettverk av organeller omgitt av membraner. Organellene danner separate reaksjonsrom (kompartmenter) som gjør det mulig å atskille enzymer, metabolitter og biokjemiske omsetningsveier i stoffskiftet med oppbygging (anabolisme) og nedbygging (katabolisme) av vekstressurser via endosomer. Det er resirkulering og gjenbruk av trafikkproteiner og membraner.
Organellene krever en utstrakt transport mellom de forskjellige reaksjonsrommene og det skjer i form av vesikler omgitt av biomembraner (bilipidmembranener), med et varierende innhold i lumen av vesikkelen avhengig av transportoppdraget. Det pågår en kontinuerlig produksjon av vesikler og sammensmelting av transportvesikler med mottakermembraner. Kommunikasjon mellom organeller og reaksjonsrom i celler skjer ved knoppskyting eller invaginering av membraner etterfulgt av avsnøring av vesikler fra avsenderrom eller mottaksrom som fraktes videre. Transporten skjer langs cytoskjelettet med dokking (sammenkobling) og fusjon mellom membraner.
For å sikre at vesiklene med innhold kommer fram til rett sted har de en unik fra-til merkelapp, en zip-kode som er en del av vesikkelmembranen når det avsnøres fra donororganellen. Rab-proteiner deltar i spesifikk tillaging av identitetsmerkete vesikler som går i skytteltrafikk, samt tjoring og rekruttering andre proteiner som deltar i membranfusjonen.
Marino Zerial, Peter Novick og medarbeidere var de første til å oppdage at Rab-GTPase virket som identitetsmarkør for forskjellige reaksjonsrom i cellene omgitt av membraner.
Rab-proteiner i GTP-bundet og GDP-bundet tilstand
Rab-protein veksler mellom GTP-bundet i aktiv form og GDP-bundet inaktiv form styrt av guanin nukleotid utbytningsfaktor og GTPase aktiverende proteiner.Syklisk aktivering og inaktivering av GTP-bundet og GDP-bundete former skifter mellom cytosol og membran.
Rab-proteiner bundet til vesikkelmembranen er nødvendig for at vesiklene skal kunne fusjonere med plasmamembran og andre membraner. Aktivt Rab-protein i GTP-form er festet til membranen i C-enden av proteinet via prenyl- eller palmitoyl-grupper og medvirker i et flerlaget gjenkjenningssystem. GTP-bundet «på»-form gjenkjennes av tjoringsfaktorer og deltar i innfanging og tjoring av riktig type vesikler.
Forskjellige varianter av fosforylerte fosfatidylinositol deltar og forsterker tjoringen av vesiklene med SNARE-proteiner i de siste fusjoneringstrinnene. Rab-GTP binder Rab effektorprotein som tiltrekker seg andre proteiner. Rabeffektorproteinene har stor variasjon. Rab-protein er festet til vesiklene når de beveger seg og blir festet til riktig motorprotein på cytoskjelettet. Når vesikkelen har fusjonert med membranen blir GTP hydrolysert og inaktivt GDP-Rab-protein går tilbake til cytoplasma. Rab-proteinet er regulert av GTPase aktiverende proteiner som aktiverer hydrolyse av GTP. Etter membranfusjonen og tømming av inneholder blir GDP-Rab-protein i «av»-form fjernet fra membranen og resirkulert for en ny runde med transportoppdrag. Nukleotidutbytningsproteiner fjerner GDP og binder GTP på nytt. Hvert trinn i transportveien for alle typer membraner og vesikler behøver sin egen type Rab-protein.
Rab-proteiner styrer vesikkeltrafikk
Grynet endoplasmatisk retikulum (ER) har bundet ribosomer og deltar i proteinsyntesen med mRNA som oppskrift. Proteiner som skal fraktes til organeller eller plasmamembranen føres inn i hulrommet på vesiklene. Endoplasmatisk retikulum er koblet sammen med cellekjernemembranen og danner sammen med cis- og trans Golgi, tidlige- og seine endosomer, et stort membran- og vesikkelnettverk i cellene. For at vesiklene skal komme fram til rett sted må de ha fra-til-merkelapper.
Vesikkeltransporten kan minne litt om varetransport i en by med avlevering og mottak av varer (vesikkelinnholdet). Transporten skjer med forskjellige kjøretøy (vesikler med Rab-proteiner) som skal til forskjellige vareadresser (mottakermembraner). Noen kjøretøy driver transport bare i nærmiljøet, mens noen (eksosomer og ektosomer) inngår i langdistansetransport langs motorveier (blod, cerebrospinalvæske, lymfe) og dekker hele byen med nærområder (hele organismen). Avfall fra virksomheten blir fraktet til egne mottak (lysosomer, vakuoler, autofagosomer) hvor det blir nedbrutt til mindre bestanddeler og gjenbrukt i en sirkulær økonomi. Feiltransporterte varer og last bringes tilbake utgangsstedet og gjenbrukes.
Eksempler på noen Rab-proteiner
Rab-GTPaser hos mennesker kodes av mer enn 70 gener for spesifisitet og retning på membrantrafikken. Rab1 i endoplasmatisk retikulum og Golginettverk fra ER til Golgi. Rab2 i cis-Golginettverk. Rab 3 isynaptiske og sekretoriske vesikler. Rab4 og Rab5C i tidlige endosomer. Rab5A i klatrindekkete vesikler. Rab 6 i trans-Golginettverk. Rab7 i tidlige endosomer. Rab8 i basolaterale sekretoriske vesikler. Rab11, Rab27, og Rab35 frakter tidlige endosomer til multivesikulære legemer som produserer eksosomer for langtransport. Rab11 i eksocytose og endocytose Dendrittceller forflytter seg til lymfeknuter via Rab9b. Rab13 i interaksjon med fosfodiesterase, Rab11 deltar i etablering av apikalbasal polaritet som gjør at celler kan feste seg til hverandre ved å resirkulere kadherin.
Endocytose og eksocytose koblet til vesikkeltransport
Eksocytose og endocytose (fagocytose og pinocytose) er vesikkeltransport av molekyler og signalstoffer ut og inn av celler over plasmamembranen via knopping eller invaginering, avsnøring og avskjæring.
Endocytose
Endocytose tar opp materiale fra utsiden av cellene ved å putte det i vesikler. Cellemembranen folder seg omkring seg selv og avsnører ekstracellulære væske med innhold). Endocytose fjerner gammelt eller skadet cellemateriale, fremmedstoffer og fremmedelgemer, samt frakter næringsstoffer nødvendig for vekst. Pseudomonas eksotoksin, koleratoksin, Shigalignende toksiner (verotoksiner) kommer inn i cellene ved endocytose, fraktes til trans-Golgi nettverk , resirkuleres tilbake til ER og til cytoplasma. Toksinene inneholder KEL-lignende motivdomene
Fagocytose er cellespising. Stoff eller partikler binder seg mottakermolekyler på celleoverflaten, gir utvekster pseudopodier fra plasmamembranen med cellemateriale den omslutter. En fagocytotisk vesikkel som blir avsnørt fra cellemembranen og kommer inn i cytosol fusjonerer med lysosomer som resirkulerer eller nedbryter innholdet i vesikkelen. Immunceller som makrofager og neutrofile er fagocytter som fjerner bakterie- eller virusinfiserte celler ved fagocytose. Fjerner også skadete celler.
Pinocytose er celledrikking tar opp væske fra ekstracellulært matriks. Stoffer fester seg til mottakermolekyler på cellemembranen. Plasmamembranen folder seg innover og avsnører piocytotisk vesikkel som inneholder ekstracellulære væske med innhold. Vesikkelen fusjonerer med tidlige endosomer. Pinocytose med opptak av kolesterol er en reseptorstyrt endocytose.
Eksocytose
Eksocytose er transport av materiale fra cellens indre til utsiden ut i ekstracellulær væske (interstitialvæske) eller ekstracellulært matriks. Det skjer ompakking og modifisering av innholdet i vesiklene. Vesikkelmembranen og plasmamembranen smelter sammen og fusjonerer eller slippes vesiklene ut i ekstracellulært rom.
Cellemembranen er et lipidbilag og det gjelder også membranene som omgir vesiklene. Eksocytosevesikkel fusjonerer med plasmamembranen og innholdet slippes ut på utsiden. Cellekommunikasjon gir vekst av cellemembranen, og fjerne avfallsprodukter fra cellens indre og reparerer. Ved endocytose fjernes noe av membranen og den må erstattes med ny membran. Nevrotransmittorer går til gjenbruk etter å ha blitt skilt ut i den synaptiske kløften, eller for å gjendanne synaptiske vesikler. Acetylkolin blir resirkulert via enzymer på nerveenden kløyves til acetat og kolin. Kolin tas opp av nerveenden av et natriumavhengig kolinopptak. Rask resyntese og pakking i små synaptiske vesikler tas opp ved endocytose , gjentatt eksocytose endocytose.
Ras-superfamilie små GTPaser
Rab-proteiner utgjør den største gruppen av Ras-familien («rat sarcoma virus», rotte sarkomavirus), med små GTPaser. Ras-superfamilien er delt i mindre proteinfamilier: Ras; Rho (Ras homologi); Ran (RA-relaterte nuklære proteiner); Sar (sekresjonsassosiert Ras-relatert ),Rab og Arf (ADP ribosyleringsfaktor). Disse er igjen delt i underfamilier.
Litteratur
Tripathy MK, Deswal R, Sopory SK. Plant RABs: Role in Development and in Abiotic and Biotic Stress Responses. Curr Genomics. 2021;22(1):26-40. doi:10.2174/1389202922666210114102743
Tzeng HT, Wang YC : Rab-mediated vesicle trafficking in cancer. J Biomed Sci. 223(1) (2016):70; doi:10.1186/s12929-016-0287-
Goody RS, Müller MP & Wu Y-W: Mechanisms of action of Rab proteins, key regulators of intracellular vesicular transport. Biological Chemistry, 398 (5-6)(2017)565-575; doi.org/10.1515/hsz-2016-0274