Golgi proteomics : Identification of a novel cartilage-specific Golgi protein GoPro49

The Golgi complex is a central organelle of the secretory pathway, responsible for a range of post-translational modifications, as well as for membrane traffic to the plasma membrane and to the endosomal-lysosomal pathway. In addition, this organelle has roles in cell migration, in the regulation of traffic, and as a mitotic check point. The structure of the Golgi complex is highly dynamic and able to respond to the amount of cargo being transported and the stage of the cell cycle. The Golgi proteome reflects the functions and structure of this organelle, and can be divided into three major groups: the Golgi resident proteins (e.g. modification enzymes), the Golgi matrix proteins (involved in structure and tethering events), and trafficking proteins (e.g. vesicle coat proteins and Rabs). The Golgi proteome has been studied on several occasions, from both rat liver and mammary gland Golgi membranes using proteomic approaches, but still little more than half of the estimated Golgi proteome is known. Nevertheless, methodological improvements and introduction of shotgun proteomics have increased the number of identified proteins, and especially the number of identified transmembrane proteins. Cartilage, even though not a typical tissue in which to study membrane traffic, secretes large amounts of extracellular matrix proteins that are extensively modified, especially by amino acid hydroxylation, glycosylation and sulfation. Furthermore, the cartilage ECM contains several, large oligomeric proteins (such as collagen II) that are difficult to assemble and transport. Indeed, cartilage has been shown to be susceptible to changes both in secretory pathway (e.g. the COPII coat assembly) and in post-translational modifications (e.g. heparan sulfate formation). Dental follicle, and the periodontal ligament (PDL) that it forms, are another type of connective tissue, and they have a role in anchoring teeth to bone. This anchorage is achieved by numerous matrix fibres that connect the bone matrix with the cementum. These tissues have in common the secretion of large matrix molecules. In this study the Golgi proteome was analysed from purified, stacked Golgi membranes isolated from rat liver. The identified, extensive proteome included a protein similar to Ab2-095, or Golgi protein 49kDa (GoPro49), which was shown to localise to the Golgi complex as an EGFP fusion protein. Surprisingly, in situ hybridisation showed the GoPro49 expression to be highly restricted to different mesenchymal tissues, especially in cartilage, and this expression pattern was clearly developmentally regulated. In addition to cartilage, GoPro49 was also expressed in the dental follicle, but was not observed in the mature PDL. Importantly, GoPro49 is the first specific marker for the dental follicle. Endogenous GoPro49 protein co-localised with β-COP in both chondrosarcoma and primary dental follicle cell lines. The COPI staining in these cells was highly dynamic, showing a number of tubules. This may reflect the type of secretory cargo they secrete. Currently GoPro49 is the only Golgi protein with such a restricted expression pattern.

Jokaisessa solussamme on useita erilaisia soluelimiä suorittamassa solulle välttämättömiä tehtäviä. Yksi niistä on Golgin laite, joka sijaitsee tuman vieressä ja vastaa proteiinin kuljetuksesta solukalvolle ja ulos solusta. Golgin laite vastaa myös eritettävien proteiinien muokkauksesta entsymaattisesti, liittämällä esimerkiksi sokeriketjuja, rasvahappoja tai muita proteiinien toimintaan vaikuttavia ryhmiä proteiinin aminohappoihin. Jotta Golgin laite pystyisi toimittamaan kaikki tehtävänsä, sillä on joukko omia proteiineja, eli Golgin proteomi, vastaamassa näistä tehtävistä. Golgin proteomia on tutkittu useaan otteeseen, mutta edellen osa siihen kuuluvista proteiineista on tunnistamatta. Monet elimistömme kudokset tuottavat ja erittävät runsaasti proteiineja, kuten esimerkiksi maksa albumiinia ja hyytymistekijöitä verenkiertoon. Myös rusto, joka muodostaa tukirangan yksilönkehityksen aikana, erittää aktiivisesti proteiineja soluvälitilaan. Nämä sidekudoksen proteiinit ovat tärkeitä ruston toiminnalle, esimerkiksi sen kestävyydelle, ja muodostavat merkittävän osan tästä kudoksesta. Tärkeää tälle sidekudoksen osalle ja koko ruston toiminnalle on myös proteiinien muokkaus ja mm. sokeriryhmien liittäminen. Tämän vuoksi Golgin laitteen toiminta ja proteiinien kuljetus ovat tärkeitä ruston toimin kannalta. Väitöskirjatyössäni olen tutkinut Golgin proteomia ja olemme tunnistaneet suuren joukon uusia tuntemattomia proteiineja. Näistä proteiineista yksi valittiin tarkemman tutkimuksen kohteeksi. Näytämme, että tämä proteiini, jonka nimesimme Golgi proteiini 49kDa:ksi (GoPro49), on uusi, Golgin laitteessa esiintyvä proteiini, jonka sijainti solussa on yhdenmukainen beta-COP proteiinin kanssa. Beta-COPia tarvitaan proteiinien kuljettamiseen Golgin laitteseen ja sieltä pois. Tämä havainto saattaa tarkoittaa, että GoPro49 proteiinin tehtävä solussa liittyy proteiinien kuljetukseen. Yllätykseksemme totesimme, että GoPro49 ilmentyy hiiren yksilönkehityksen aikana pääosin rustossa ja hampaita ympäröivässä sidekudoksessa. Tämä on epätavallista Golgin proteiinille, koska Golgin laite on välttämätön kaikille soluille ja siksi Golgin proteiineja on yleensä kaikissa soluissamme. Tämä saattaa kertoa, että proteiinia tarvitaan eritysesti tiettyjen, vain sidekudoksessa esiintyvien proteiinen kuljetukseen, tai että ruston proteiinit vaativat tavallista enemmän apua kuljetuksessa. Tuloksiemme perusteella GoPro49 on mielenkiintoinen uusi proteiini. Sen tarkka tehtävä rusto-solussa vaatii kuitenkin vielä tarkempaa tutkimusta.