В молекулярной биологии молекулярные шапероны — это белки , которые помогают конформационному сворачиванию или разворачиванию крупных белков или макромолекулярных белковых комплексов. Существует ряд классов молекулярных шаперонов, каждый из которых помогает 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 представляли собой тип 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 усиливается при тепловом стрессе.
Большинство молекулярных шаперонов не передают никакой стерической информации для сворачивания белка, а вместо этого способствуют сворачиванию белка путем связывания и стабилизации промежуточных продуктов сворачивания до тех пор, пока полипептидная цепь не будет полностью транслирована . Конкретный способ функционирования шаперонов различается в зависимости от их белков-мишеней и местоположения. Для изучения структуры, динамики и функционирования шаперонов применялись различные подходы . Массовые биохимические измерения сообщили нам об эффективности сворачивания белка и предотвращении агрегации, когда шапероны присутствуют во время сворачивания белка. Недавние достижения в анализе одиночных молекул [3] позволили понять структурную гетерогенность шаперонов, промежуточных продуктов сворачивания и сродство шаперонов к неструктурированным и структурированным белковым цепям.
Многие шапероны представляют собой белки теплового шока , то есть белки, экспрессирующиеся в ответ на повышенные температуры или другие клеточные стрессы. [4] Белки-шапероны теплового шока классифицируются на основе наблюдаемой молекулярной массы на Hsp60, Hsp70 , Hsp90, Hsp104 и малые Hsp. [5] Семейство белков-шаперонов Hsp60 называется шаперонинами , 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 АТФ-зависимым образом (например, система GroEL / GroES или система DnaK / DnaJ / GrpE ). Хотя большинство вновь синтезированных белков могут сворачиваться в отсутствие шаперонов, лишь немногим из них они необходимы для того же самого. Другие шапероны действуют как холдазы : они связывают промежуточные соединения сворачивания, чтобы предотвратить их агрегацию, например DnaJ или Hsp33 . [6] Шапероны также могут действовать как дезагрегазы, которые взаимодействуют с аберрантными белковыми сборками и превращают их в мономеры. [7] Некоторые шапероны могут способствовать деградации белков , приводя белки к протеазным системам, таким как система убиквитин-протеасома у эукариот . [8] Белки-шапероны участвуют в сворачивании более половины всех белков млекопитающих. [ нужна цитата ]
Макромолекулярная скученность может иметь важное значение для функции шаперона. Переполненная среда цитозоля может ускорить процесс сворачивания, поскольку компактно 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 повышать эффективность белков-шаперонов, таких как GroEL , [12] что может противодействовать этому снижению эффективности сворачивания. [13] Некоторые высокоспецифичные «стерические шапероны» передают уникальную структурную информацию белкам, которые не могут сворачиваться спонтанно. Такие белки нарушают догму Анфинсена [14] о том, что динамика белков должна правильно сворачиваться.
Другие типы шаперонов участвуют в транспорте через мембраны , например мембраны митохондрий и эндоплазматической сети (ЭР) у эукариот . Бактериальный транслокационно-специфичный шаперон SecB поддерживает вновь синтезированные полипептидные цепи- предшественники в транслокационно - компетентном ( обычно развернутом ) состоянии и направляет их к транслокону . [15]
Продолжают открываться новые функции шаперонов, такие как активность бактериального адгезина , индукция агрегации с образованием неамилоидных агрегатов, [16] подавление токсичных белковых олигомеров посредством их кластеризации, [17] [18] и реагирование на заболевания, связанные с белком. агрегация [19] и поддержание рака. [20]
Было обнаружено, что в клеточных линиях человека белки-шапероны составляют ~10% общей массы протеома [21] и повсеместно и высоко экспрессируются в тканях человека.
Шапероны широко распространены в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), поскольку в этой области часто происходит синтез белка .
В эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) имеются общие, лектиновые и неклассические молекулярные шапероны, которые смягчают сворачивание белков.
Есть много разных семей сопровождающих; каждое семейство способствует сворачиванию белка по-своему. У таких бактерий, как E. coli , многие из этих белков высоко экспрессируются в условиях сильного стресса, например, когда бактерия находится при высоких температурах, поэтому белки-шапероны теплового шока являются наиболее обширными.
Для сопровождающих используются различные номенклатуры. Названия белков теплового шока обычно образуются из буквы «Hsp», за которой следует приблизительная молекулярная масса в килодальтонах ; такие названия обычно используются для эукариот, таких как дрожжи. Названия бактерий имеют более разнообразные формы и напрямую относятся к их очевидной функции на момент открытия. Например, «GroEL» первоначально означает «дефект роста фага, преодолеваемый мутацией в фаговом гене E, большой субъединице». [25]
Hsp10/60 (комплекс GroEL/GroES в E. coli ) представляет собой наиболее охарактеризованный большой (~ 1 МДа) шаперонный комплекс. GroEL (Hsp60) представляет собой 14-мер с двойным кольцом и гидрофобным участком на открытии; он настолько велик, что может вместить в свой просвет нативную складку GFP 54 кДа. GroES (Hsp10) представляет собой гептамер с одним кольцом, который связывается с GroEL в присутствии АТФ или АДФ. GroEL/GroES, возможно, не сможет отменить предыдущую агрегацию, но они конкурируют на пути неправильного сворачивания и агрегации. [26] Также действует в митохондриальном матриксе как молекулярный шаперон.
Hsp70 (DnaK в E. coli ), возможно, является наиболее охарактеризованным небольшим (~ 70 кДа) шапероном. Белкам Hsp70 помогают белки Hsp40 (DnaJ в E. coli ), которые увеличивают скорость потребления АТФ и активность Hsp70. Эти два белка у бактерий называются «ДНК», поскольку изначально было установлено, что они необходимы для репликации ДНК E. coli . [27]
Было отмечено, что повышенная экспрессия белков Hsp70 в клетке приводит к снижению склонности к апоптозу . Хотя точное понимание механизма еще предстоит определить, известно, что Hsp70 имеют связанное состояние с высоким сродством к развернутым белкам при связывании с ADP и состояние с низким сродством при связывании с АТФ .
Считается, что многие Hsp70 концентрируются 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. [28] Hsp70 также действует как митохондриальный и хлоропластический молекулярный шаперон у эукариот.
Hsp90 (HtpG в E. coli [a] ), возможно, является наименее изученным шапероном. Его молекулярная масса составляет около 90 кДа, и она необходима для жизнеспособности эукариот (возможно, и прокариотов). Белок теплового шока 90 (Hsp90) представляет собой молекулярный шаперон, необходимый для активации многих сигнальных белков в эукариотической клетке.
Каждый Hsp90 имеет АТФ-связывающий домен, средний домен и домен димеризации . Первоначально считалось, что структуры, недавно опубликованные Vaughan et al. , прикрепляются к белку-субстрату (также известному как белок-клиент) при связывании АТФ. и Али и др. указывают на то, что клиентские белки могут внешне связываться как с N-концевым, так и со средним доменами Hsp90. [29] [30]
Hsp90 также может нуждаться в ко-шаперонах , таких как иммунофилины , Sti1 , p50 (Cdc37) и Aha1 , а также взаимодействует с системой шаперонов Hsp70. [31] [32]
Белки Hsp100 (семейство Clp в E. coli ) изучались in vivo и in vitro на предмет их способности нацеливать и разворачивать меченые и неправильно свернутые белки.
Белки семейства Hsp100/Clp образуют крупные гексамерные структуры с анфолдазной активностью в присутствии АТФ. Считается, что эти белки действуют как шапероны, процессивно пропуская клиентские белки через небольшую пору размером 20 Å (2 нм ), тем самым давая каждому клиентскому белку второй шанс свернуться.
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 ответственны 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 не могут размножать определенные прионы .
Гены бактериофага (фага) Т4 , кодирующие белки , определяющие структуру фага Т4, были идентифицированы с использованием условно-летальных мутантов . [33] Большинство этих белков оказались либо основными, либо второстепенными структурными компонентами завершенной фаговой частицы. Однако среди генных продуктов (gps), необходимых для сборки фага, Снустад [34] выделил группу gps, которые действуют каталитически , а не встраиваются в структуру фага. Этими gps были gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 и gp4 [ген 4 является синонимом генов 50 и 65, и поэтому gp можно обозначить gp4(50)(65)]. С тех пор первые четыре из этих шести генных продуктов были признаны белками-шаперонами. Кроме того, gp40, gp57A, gp63 и gpwac теперь также идентифицированы как шапероны.
Морфогенез фага Т4 разделен на три независимых пути: головной, хвостовой и длинный хвостовые волокна, как подробно описано Япом и Россманом. [35] Что касается морфогенеза головки, шаперон gp31 взаимодействует с бактериальным шапероном-хозяином GroEL, способствуя правильному сворачиванию основного капсидного белка головки gp23. [36] [35] Шаперон gp40 участвует в сборке gp20, тем самым помогая в формировании соединительного комплекса, который инициирует сборку головного прокапсида. [36] [35] Gp4(50)(65), хотя и не указан в качестве шаперона, 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 ступицы базовой пластины. [38] Gp57A необходим для правильного сворачивания gp12, структурного компонента коротких хвостовых волокон базовой пластинки. [38]
Синтез волокон длинного хвоста 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 волокон длинного хвоста к пластинке основания хвоста. [38]
Расследование деятельности сопровождающих 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 белков-гистонов с ДНК во время сборки нуклеосом. [41] Позже этот термин был расширен Р. Джоном Эллисом в 1987 году для описания белков, которые опосредуют посттрансляционную сборку белковых комплексов. [42] В 1988 году стало понятно, 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 заболеваний, связанных с мутациями в генах, кодирующих шапероны (т.е. мультисистемная протеинопатия ), которые могут поражать мышцы, кости и/или центральную нервную систему. [45]
СМИ, связанные с белками-шаперонами, на Викискладе?