В молекулярной биологии молекулярные шапероны — это белки , которые помогают конформационному сворачиванию или разворачиванию крупных белков или макромолекулярных белковых комплексов. Существует ряд классов молекулярных шаперонов, все из которых функционируют, помогая крупным белкам правильно сворачиваться во время или после синтеза, а также после частичной денатурации. Шапероны также участвуют в транслокации белков для протеолиза .
Первые обнаруженные молекулярные шапероны были типом сборочных шаперонов, которые помогают в сборке нуклеосом из свернутых гистонов и ДНК . [1] [2] Одной из основных функций молекулярных шаперонов является предотвращение агрегации неправильно свернутых белков, поэтому многие белки-шапероны классифицируются как белки теплового шока , поскольку тенденция к агрегации белков увеличивается под действием теплового стресса.
Большинство молекулярных шаперонов не передают никакой стерической информации для сворачивания белка, а вместо этого помогают в сворачивании белка, связываясь с промежуточными продуктами сворачивания и стабилизируя их до тех пор, пока полипептидная цепь не будет полностью транслирована . Конкретный режим функционирования шаперонов различается в зависимости от их целевых белков и местоположения. Для изучения структуры, динамики и функционирования шаперонов применялись различные подходы . Массовые биохимические измерения дали нам информацию об эффективности сворачивания белка и предотвращении агрегации, когда шапероны присутствуют во время сворачивания белка. Недавние достижения в анализе отдельных молекул [3] принесли понимание структурной гетерогенности шаперонов, промежуточных продуктов сворачивания и сродства шаперонов к неструктурированным и структурированным белковым цепям.
Многие шапероны являются белками теплового шока , то есть белками, экспрессируемыми в ответ на повышенные температуры или другие клеточные стрессы. [4] Шапероны белков теплового шока классифицируются на основе их наблюдаемого молекулярного веса на Hsp60, Hsp70 , Hsp90, Hsp104 и малые Hsp. [5] Семейство белковых шаперонов Hsp60 называется шаперонинами и характеризуется сложенной двойной кольцевой структурой и обнаруживается у прокариот, в цитозоле эукариот и в митохондриях.
Некоторые системы шаперонов работают как фолдазы : они поддерживают сворачивание белков в зависимости от АТФ (например, система GroEL / GroES или DnaK / DnaJ / GrpE ). Хотя большинство вновь синтезированных белков могут сворачиваться в отсутствие шаперонов, меньшинство строго требует их для этого. Другие шапероны работают как холдазы : они связывают промежуточные продукты сворачивания, чтобы предотвратить их агрегацию, например DnaJ или Hsp33 . [6] Шапероны также могут работать как дезагрегазы, которые взаимодействуют с аберрантными белковыми сборками и возвращают их к мономерам. [7] Некоторые шапероны могут помогать в деградации белков , приводя белки к протеазным системам, таким как система убиквитин-протеасома у эукариот . [8] Шаперонные белки участвуют в сворачивании более половины всех белков млекопитающих. [ требуется ссылка ]
Макромолекулярная скученность может быть важна для функции шаперона. Скученное окружение цитозоля может ускорить процесс сворачивания, поскольку компактный свернутый белок будет занимать меньший объем, чем развернутая белковая цепь. [9] Однако скученность может снизить выход правильно свернутого белка за счет увеличения агрегации белка . [10] [11] Скученность также может повысить эффективность шаперонных белков, таких как GroEL , [12], которые могут противодействовать этому снижению эффективности сворачивания. [13] Некоторые высокоспецифичные «стерические шапероны» передают уникальную структурную информацию на белки, которые не могут быть свернуты спонтанно. Такие белки нарушают догму Анфинсена , [14] требуя динамики белка для правильного сворачивания.
Другие типы шаперонов участвуют в транспорте через мембраны , например, мембраны митохондрий и эндоплазматического ретикулума (ЭР) у эукариот . Бактериальный транслокационно-специфический шаперон SecB поддерживает вновь синтезированные предшественники полипептидных цепей в транслокационно -компетентном ( обычно развернутом ) состоянии и направляет их к транслокону . [15]
Продолжают открываться новые функции шаперонов, такие как активность бактериальной адгезии , индукция агрегации в направлении неамилоидных агрегатов [16] , подавление токсичных белковых олигомеров посредством их кластеризации [17] [18] и реагирование на заболевания, связанные с агрегацией белков [19] и поддержание рака [20] .
Было обнаружено, что в линиях клеток человека белки-шапероны составляют около 10% общей массы протеома [21] и повсеместно и в высокой степени экспрессируются во всех тканях человека.
Шапероны широко распространены в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), поскольку синтез белка часто происходит именно в этой области.
В эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) имеются общие, лектиновые и неклассические молекулярные шапероны, которые регулируют сворачивание белков.
Существует много различных семейств шаперонов; каждое семейство действует, помогая сворачиванию белка по-своему. У бактерий, таких как E. coli , многие из этих белков высоко экспрессируются в условиях высокого стресса, например, когда бактерия находится в условиях высоких температур, поэтому шапероны белков теплового шока являются наиболее распространенными.
Для шаперонов используются различные номенклатуры. Как и для белков теплового шока, названия классически формируются с помощью «Hsp» с последующей приблизительной молекулярной массой в килодальтонах ; такие названия обычно используются для эукариот, таких как дрожжи. Бактериальные названия имеют более разнообразные формы и напрямую ссылаются на их очевидную функцию при открытии. Например, «GroEL» изначально означает «дефект роста фага, преодоленный мутацией в гене фага E, большая субъединица». [25]
Hsp10/60 (комплекс GroEL/GroES в E. coli ) является наиболее охарактеризованным крупным (~ 1 МДа) комплексом шаперонов. GroEL (Hsp60) представляет собой двухкольцевой 14-мер с гидрофобным участком в его открытии; он настолько велик, что может вмещать нативную укладку 54-кДа GFP в своем просвете. GroES (Hsp10) представляет собой однокольцевой гептамер, который связывается с GroEL в присутствии АТФ или АДФ. GroEL/GroES, возможно, не способен отменить предыдущую агрегацию, но он конкурирует на пути неправильного сворачивания и агрегации. [26] Также действует в митохондриальном матриксе как молекулярный шаперон.
Hsp70 (DnaK в E. coli ) является, пожалуй, наиболее охарактеризованным малым (~ 70 кДа) шапероном. Белкам Hsp70 помогают белки Hsp40 (DnaJ в E. coli ), которые увеличивают скорость потребления АТФ и активность Hsp70. Эти два белка называются «ДНК» в бактериях, потому что они изначально были идентифицированы как необходимые для репликации ДНК E. coli . [27]
Было отмечено, что повышенная экспрессия белков Hsp70 в клетке приводит к снижению тенденции к апоптозу . Хотя точное механистическое понимание еще не определено, известно, что Hsp70 имеют высокоаффинное связанное состояние с развернутыми белками при связывании с АДФ и низкоаффинное состояние при связывании с АТФ .
Считается, что множество Hsp70 собираются вокруг развернутого субстрата, стабилизируя его и предотвращая агрегацию до тех пор, пока развернутая молекула не свернется должным образом, после чего Hsp70 теряют сродство к молекуле и диффундируют прочь. [28] Hsp70 также действует как митохондриальный и хлоропластный молекулярный шаперон у эукариот.
Hsp90 (HtpG в E. coli [a] ) может быть наименее изученным шапероном. Его молекулярная масса составляет около 90 кДа, и он необходим для жизнеспособности эукариот (возможно, и прокариот). Белок теплового шока 90 (Hsp90) — это молекулярный шаперон, необходимый для активации многих сигнальных белков в эукариотической клетке.
Каждый Hsp90 имеет домен связывания АТФ, средний домен и домен димеризации . Первоначально предполагалось, что они прикрепляются к своему субстратному белку (также известному как клиентский белок) при связывании АТФ, недавно опубликованные структуры Вогана и др. и Али и др. указывают на то, что клиентские белки могут связываться снаружи как с N-концевыми, так и со средними доменами Hsp90. [29] [30]
Hsp90 может также требовать ко-шаперонов , таких как иммунофилины , Sti1 , p50 (Cdc37) и Aha1 , а также сотрудничать с системой шаперонов Hsp70. [31] [32]
Белки Hsp100 (семейство Clp в E. coli ) изучались in vivo и in vitro на предмет их способности нацеливаться и разворачивать меченые и неправильно свернутые белки.
Белки семейства Hsp100/Clp образуют крупные гексамерные структуры с активностью унфолдазы в присутствии АТФ. Предполагается, что эти белки функционируют как шапероны, процессивно протягивая клиентские белки через небольшую пору размером 20 Å (2 нм ), тем самым давая каждому клиентскому белку второй шанс на сворачивание.
Некоторые из этих шаперонов Hsp100, такие как ClpA и ClpX, связываются с двухкольцевой тетрадекамерной сериновой протеазой ClpP; вместо того, чтобы катализировать рефолдинг клиентских белков, эти комплексы отвечают за целенаправленное разрушение меченых и неправильно свернутых белков.
Hsp104 , Hsp100 Saccharomyces cerevisiae , необходим для размножения многих дрожжевых прионов . Удаление гена HSP104 приводит к тому , что клетки неспособны размножать определенные прионы .
Гены бактериофага (фага) T4 , которые кодируют белки , играющие роль в определении структуры фага T4, были идентифицированы с использованием условных летальных мутантов . [33] Большинство этих белков оказались либо основными, либо второстепенными структурными компонентами завершенной фаговой частицы. Однако среди продуктов генов (gps), необходимых для сборки фага, Снустад [ 34] идентифицировал группу gps, которые действуют каталитически, а не включаются в структуру фага. Этими gps были gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 и gp4 [ген 4 является синонимом генов 50 и 65, и, таким образом, gp может быть обозначен как gp4(50)(65)]. Первые четыре из этих шести продуктов генов с тех пор были признаны белками-шаперонами. Кроме того, gp40, gp57A, gp63 и gpwac теперь также идентифицированы как шапероны.
Морфогенез фага T4 делится на три независимых пути: путь головы, хвоста и путь длинного хвостового волокна, как подробно описано Япом и Россманом. [35] Что касается морфогенеза головы, шаперон gp31 взаимодействует с шапероном бактериального хозяина GroEL , способствуя правильному сворачиванию основного белка капсида головы gp23. [36] [35] Шаперон gp40 участвует в сборке gp20, тем самым способствуя формированию соединительного комплекса, который инициирует сборку прокапсида головы. [36] [35] Gp4(50)(65), хотя и не указан конкретно как шаперон, действует каталитически как нуклеаза, которая, по-видимому, необходима для морфогенеза, расщепляя упакованную ДНК, чтобы обеспечить соединение головок с хвостами. [37]
Во время общей сборки хвоста белки-шапероны gp26 и gp51 необходимы для сборки концентратора базальной пластины. [38] Gp57A необходим для правильного сворачивания gp12, структурного компонента коротких хвостовых волокон базальной пластины. [38]
Синтез длинных хвостовых волокон зависит от белка-шаперона gp57A, который необходим для тримеризации gp34 и gp37, основных структурных белков хвостовых волокон. [36] [35] Белок-шаперон gp38 также необходим для правильного сворачивания gp37. [38] [39] Белки-шапероны gp63 и gpwac используются для прикрепления длинных хвостовых волокон к хвостовой пластинке. [38]
Исследование шаперонов имеет долгую историю. [40] Термин «молекулярный шаперон» впервые появился в литературе в 1978 году и был изобретен Роном Ласки для описания способности ядерного белка, называемого нуклеоплазмином, предотвращать агрегацию свернутых гистоновых белков с ДНК во время сборки нуклеосом. [41] Позднее этот термин был расширен Р. Джоном Эллисом в 1987 году для описания белков, которые опосредуют посттрансляционную сборку белковых комплексов. [42] В 1988 году было обнаружено, что подобные белки опосредуют этот процесс как у прокариот, так и у эукариот. [43] Детали этого процесса были определены в 1989 году, когда АТФ-зависимое сворачивание белка было продемонстрировано in vitro . [44]
Существует множество расстройств, связанных с мутациями в генах, кодирующих шапероны (т.е. мультисистемная протеинопатия ), которые могут поражать мышцы, кости и/или центральную нервную систему. [45]
Медиа, связанные с белками-шаперонами на Wikimedia Commons