Vault (organel)

Architectuur van het vaultcomplex, bepaald door middel van cryo-elektronentomografie (tomografie). Het vaultcomplex bestaat uit 78 kopieën van het MVP-eiwit; 39 monomeren in iedere helft.

Het vaultcomplex is een groot ribonucleoproteïne dat in vrijwel alle eukaryotische cellen voorkomt. Het is een veelvoorkomend maar weinig begrepen structuur in het cytoplasma. Het dankt zijn naam aan de typerende gewelfvormige morfologie, die zichtbaar is onder de elektronenmicroscoop. Vaults hebben een molecuulmassa van ongeveer 13 MDa en bestaan hoofdzakelijk uit de major vault protein (MVP), kleinere eiwitten en korte niet-coderende RNA-moleculen (vault-RNA's).

Vaults zijn ongeveer 50–60 nanometer in lengte. Het zijn holle, symmetrisch gevormde deeltjes opgebouwd uit 78 kopieën van MVP, die samen een gesloten 'geraamte' vormen. Deze architectuur heeft geleid tot de hypothese dat vaults een rol hebben als transport- of opslagcompartimenten voor macromoleculen. Naast MVP bevat het vaultcomplex ook twee andere eiwitten (minor vault proteins), die wijzen op een rol van vaults bij celkerntransport en bij de stabiliteit en stofwisseling van RNA.

Het vaultcomplex werd in 1986 aangetoond door de Amerikaanse celbiologen Nancy Kedersha and Leonard Rome. De deeltjes zijn zeer abundant. In menselijke cellen zijn naar schatting ruwweg 10.000 vault-deeltjes aanwezig. In sommige immuuncellen zoals macrofagen kunnen dat er meer dan honderd duizend zijn.

Structuur

Morfologie

De 39 eiwitketens van MVP, die samen de helft van het Vault-complex vormen, zijaanzicht schuin van boven.
De 39 eiwitketens van MVP, die samen de helft van het Vault-complex vormen, bovenaanzicht.

Vaults zijn grote moleculaire complexen bestaande uit eiwitten en RNA (ribonucleoproteïne). Ze zijn ongeveer drie keer zo groot als een ribosoom en hebben een molecuulmassa van ongeveer 13 MDa. Ze komen voor in relatief grote aantallen binnen het cytoplasma van de meeste eukaryotische cellen. Het hele complex is 35 bij 59 nanometer, gemeten met de elektronenmicroscoop. Ze kunnen zichtbaar gemaakt worden via negatieve kleuring of door middel van cryo-EM.

Opbouw

De vault-structuur is sterk geconserveerd tussen soorten. De vault is het grootste nucleoproteïne-deeltje in het cytoplasma van de cel en bestaat uit twee identieke, symmetrische halve vaults. Om de inkapseling en vrijgave van de lading te vergemakkelijken, opent de vault zich vermoedelijk in twee helften, maar het moleculaire mechanisme dat de opening van de vault regelt, blijft onduidelijk. Een klein aantal vaults bevindt zich aan het buitenoppervlak van het kernmembraan, bij of nabij de kernporiecomplexen, wat duidt op een toegangspoort. De holle binnenkant van de vault is groot genoeg om een ribosoom te bevatten. De vault is drie keer zo groot als het ribosoom, maar bevat slechts drie eiwitten, vergeleken met de bijna honderd in een ribosoom.

De eiwitstructuur bestaat uit een buitenste schil die is samengesteld uit 78 kopieën van het ~100 kDa grote vault-eiwit (major vault protein: MVP). Binnenin bevinden zich twee geassocieerde vault-eiwitten, TEP1 en PARP4. TEP1, ook bekend als telomerase-geassocieerd eiwit 1, is 290 kDa en PARP4 is verwant aan poly(ADP-ribose)polymerase (PARP) en is 193 kDa. Vaults van veel meercellige eukaryoten bevatten ook een of meerdere kleine vault-RNA's (vRNA's, ook bekend als vtRNA's) van 86-141 basen. Elk groot vault-eiwit beslaat ongeveer 70% van de massa en heeft meer dan 800 aminozuren.

De MVP-subeenheden zijn kop-aan-kop opgebouwd, waarbij de N-termini van elke halve koepel naar elkaar toe gericht zijn. Van de N-terminus naar de C-terminus vouwt een MVP-subeenheid zich op in 9 herhalingsdomeinen, 1 band7-achtig schouderdomein, 1 cap-helixdomein en 1 cap-ringdomein, overeenkomend met de vorm van de koepelschaal. PARP4 bindt aan repeatdomein #4. TEP1, zelf een ring vanwege de WD40-repeat, bindt aan het capdomein, waarbij één specifiek type vRNA de cap afsluit.

Voorbeeld van een C-terminaal WD40-domein (hier afkomstig van Tup1, een transcriptionele corepressor in gist) met een 7-bladige β-propellervouwing. De band is gekleurd van blauw (N-terminus) naar rood (C-terminus).
Membraangebonden vault in het perinucleaire gebied van een typisch D. discoideum cryo-elektronen tomogram. Cryo-elektronentomografie is een techniek waarbij een elektronenmicroscoop wordt gebruikt om een reeks tweedimensionale beelden vast te leggen terwijl een biologisch monster, dat op cryogene temperaturen wordt gehouden, wordt gekanteld. Met behulp van computermethoden kunnen de tweedimensionale beelden worden uitgelijnd om een driedimensionale (tomografische) reconstructie van het monster te verkrijgen. Schaalbalk 50nm

Functie

Hoewel de rol van vaults nog niet volledig is opgehelderd, worden ze in verband gebracht met de kernporiecomplexen en lijkt hun achthoekige vorm dit te ondersteunen. Vaults zijn betrokken bij een breed scala aan cellulaire functies, waaronder kern-cytoplasmatisch transport, mRNA-lokalisatie, resistentie tegen geneesmiddelen, signaaloverdracht in cellen, de vorming van kernporiën en aangeboren immuniteit. Ze kunnen dienen als steigers voor signaaltransductie-eiwitten. Vaults zijn aanwezig in de meeste normale weefsels, en met name in secretoire en excretie-epitheelcellen, en in bronchiale en intestinale epitheelcellen. Vaults worden overmatig tot expressie gebracht in veel multiresistente kankercellen.

De drie vault-eiwitten (MVP, PARP4 en TEP1) zijn afzonderlijk en in combinatie (PARP4 en TEP1) uitgeschakeld bij muizen. Alle knock-outmuizen zijn levensvatbaar en er zijn geen grote fenotypische veranderingen waargenomen. Dictyostelium codeert voor drie verschillende MVPs, waarvan er twee afzonderlijk en in combinatie zijn uitgeschakeld. Het enige fenotype dat werd waargenomen bij de dubbele knock-out van Dictyostelium was groeivertraging onder nutritionele stress. Als vaults betrokken zijn bij essentiële cellulaire functies, lijkt het waarschijnlijk dat er redundante systemen bestaan die hun verlies kunnen compenseren.

Uit onderzoek is gebleken dat vaults aanwezig waren in de recentste gemeenschappelijke voorouder, maar in de loop van de evolutie verloren zijn gegaan bij sommige groepen, zoals insecten, schimmels en waarschijnlijk ook planten.

Vault-constructen

Het Rome-lab van de Universiteit van Californië - Los Angeles heeft samengewerkt met een aantal groepen om het baculovirussysteem te gebruiken voor de productie van grote hoeveelheden vaults. Wanneer het belangrijkste vault-eiwit (MVP) tot expressie wordt gebracht in insectencellen, worden vault-deeltjes geassembleerd op polyribosomen in het cytoplasma. Door middel van moleculair-genetische technieken om het gen dat codeert voor het belangrijkste vault-eiwit te modificeren, zijn vault-deeltjes geproduceerd met chemisch actieve peptiden die aan hun sequentie zijn gekoppeld. Deze gemodificeerde eiwitten worden in de vault-deeltjes opgenomen zonder de basisstructuur ervan te veranderen. Eiwitten en peptiden kunnen ook in vaults worden verpakt door de aanhechting van een verpakkingsdomein afkomstig van het PARP4-eiwit. Er zijn een aantal gemodificeerde vault-deeltjes geproduceerd om het concept te testen dat vaults bio-geconstructeerd kunnen worden om ze te gebruiken in een breed scala aan biologische toepassingen, waaronder medicijnafgifte, biologische sensoren, enzymafgifte, gecontroleerde afgifte en milieusanering.

Een vault is verpakt met een chemokine voor potentieel gebruik om het immuunsysteem te activeren om longkanker aan te vallen.

Zie de categorie Vault ribonucleoprotein particles van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.