Молекулалық шаперондар – бұл протеин қалыптасуына көмектесетін протеиндер. Дұрыс бүктелуге, агрегацияны болдырмауға және жасуша стресінен қорғауға көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ақуыздардың бүлінуіне көмектесетін ақуыздар
Proteins assisting in protein folding
Молекулалық биологияда молекулалық шаперондар – ірі ақуыздардың немесе макромолекулалық ақуыз кешендерінің конформациялық бүлінуіне немесе ашылуына көмектесетін ақуыздар. Молекулалық шаперондардың бірнеше кластары бар, олардың барлығы синтез кезінде немесе одан кейін, сондай-ақ ішінара денатурациядан кейін ірі ақуыздардың дұрыс бүлінуіне көмектеседі. Шаперондар протеиндердің протеолиз үшін транслокациялануына да қатысады. Алғаш ашылған молекулалық шаперондар – гистондар мен ДНК-дан нуклеосома құрастыруға көмектесетін құрастыру шаперондарының бір түрі. Молекулалық шаперондардың маңызды функцияларының бірі – қате бүлінген ақуыздардың агрегациясын болдырмау, сондықтан көптеген шаперон ақуыздары жылулық шок ақуыздары ретінде жіктеледі, себебі жылу стресі ақуыз агрегациясын күшейтеді. Молекулалық шаперондардың көпшілігі ақуыздың бүлінуі үшін ешқандай стерикалық ақпарат бермейді, керісінше полипептидтік тізбек толық синтезделгенге дейін бүліну аралықтарына байланысып, тұрақтандыру арқылы ақуыздың бүлінуіне көмектеседі. Шаперондардың жұмыс істеу механизмі олардың мақсатты ақуыздары мен орналасқан жеріне байланысты өзгеше болады. Шаперондардың құрылымын, динамикасын және жұмыс істеуін зерттеу үшін түрлі тәсілдер қолданылды. Көп көлемді биохимиялық өлшемдер ақуыздың бүліну тиімділігі және ақуыз бүліну кезінде шаперондардың қатысуымен агрегацияның алдын алу туралы мәліметтер берді. Соңғы жылдары жасалған жеке молекулалық талдаулар шаперондардың құрылымдық әртүрлілігіне, бүліну аралықтарына және шаперондардың құрылымсыз және құрылымды ақуыз тізбектеріне деген туыстығына жаңа түсініктер әкелді.
In molecular biology, molecular chaperones are proteins that assist the conformational folding or unfolding of large proteins or macromolecular protein complexes. There are a number of classes of molecular chaperones, all of which function to assist large proteins in proper protein folding during or after synthesis, and after partial denaturation. Chaperones are also involved in the translocation of proteins for proteolysis. The first molecular chaperones discovered were a type of assembly chaperones which assist in the assembly of nucleosomes from folded histones and DNA. One major function of molecular chaperones is to prevent the aggregation of misfolded proteins, thus many chaperone proteins are classified as heat shock proteins, as the tendency for protein aggregation is increased by heat stress. The majority of molecular chaperones do not convey any steric information for protein folding, and instead assist in protein folding by binding to and stabilizing folding intermediates until the polypeptide chain is fully translated. The specific mode of function of chaperones differs based on their target proteins and location. Various approaches have been applied to study the structure, dynamics and functioning of chaperones. Bulk biochemical measurements have informed us on the protein folding efficiency, and prevention of aggregation when chaperones are present during protein folding. Recent advances in single molecule analysis have brought insights into structural heterogeneity of chaperones, folding intermediates and affinity of chaperones for unstructured and structured protein chains.
Молекулалық шаперондардың функциялары
Көптеген шаперондар жылулық шок ақуыздары, яғни жоғары температураға немесе басқа жасушалық стресске жауап ретінде экспрессияланатын ақуыздар. Жылулық шок ақуыздарының шаперондары олардың молекулалық салмағы бойынша Hsp60, Hsp70, Hsp90, Hsp104 және кіші Hsp-лерге жіктеледі. Hsp60 отбасы шаперондары шаперониндер деп аталады, олар жиналған қос сақиналы құрылыммен сипатталады және прокариоттарда, эукариоттардың цитозолында және митохондрияларда кездеседі. Кейбір шаперондық жүйелер фолдазалар ретінде жұмыс істейді: олар АТФ-қа тәуелді түрде ақуыздардың бүктелуін қолдайды (мысалы, GroEL/GroES немесе DnaK/DnaJ/GrpE жүйесі). Көптеген жаңа синтезделген ақуыздар шаперонсыз бүктеле алады, бірақ аз бөлігі олардың қатысуын қажет етеді. Басқа шаперондар холдазалар ретінде жұмыс істейді: олар жинақталудың алдын алу үшін аралық бүктелу кезеңдерімен байланысады, мысалы DnaJ немесе Hsp33. Шаперондар деагрегаторлар ретінде де жұмыс істей алады, бұл аберрантты ақуыз жиынтықтарымен өзара әрекеттесіп, оларды мономерлерге айналдырады. Кейбір шаперондар ақуыздың ыдырауына көмектеседі, ақуыздарды эукариоттардағы убиквитин-протеазома жүйесі сияқты протеаза жүйелеріне жеткізеді. Шаперон ақуыздары сүтқоректілердің барлық ақуыздарының жартысынан астамының бүктелуіне қатысады. Макромолекулалық тығыздық шаперондық функцияда маңызды рөл атқаруы мүмкін. Цитозолдың тығыз ортасы бүктелу процесін жеделдетеді, себебі жиналған бүктелінген ақуыз бүктелінген ақуыз тізбегінен кем көлем алады. Дегенмен, тығыздық дұрыс бүктелінген ақуыздың өнімділігін азайтуы мүмкін, себебі ақуыз агрегациясы артады. Тығыздық GroEL сияқты шаперон ақуыздарының тиімділігін арттыруы мүмкін, бұл бүктелу тиімділігінің төмендеуіне қарсы әрекет етеді. Кейбір ерекше "стерикалық шаперондар" ақуыздарға бірегей құрылымдық ақпаратты жеткізеді, олар өздігінен бүктеле алмайды. Мұндай ақуыздар Анфинсеннің догмасын бұзады, олардың дұрыс бүктелуі үшін ақуыз динамикасы қажет. Шаперонның басқа түрлері мембраналар арқылы тасымалдауға қатысады, мысалы, эукариоттардағы митохондриялар мен эндоплазмалық ретикулум (ЭР) мембраналары. Бактериялық транслокацияға тән шаперон SecB жаңа синтезделген прекурсорлық полипептидтік тізбектерді транслокацияға қабілетті (әдетте ашық) күйде ұстап, оларды транслоконға бағыттайды. Шаперондардың жаңа функциялары, мысалы бактериялық адгезин белсенділігі, амелоид емес агрегаттарға қарай агрегацияны индукциялау, токсикалық ақуыз олигомерлерін кластерлеу арқылы басу және ақуыз агрегациясына байланысты ауруларға жауап беру және қатерлі ісіктерді тежеу сияқты жаңа функциялары үздіксіз ашылуда.
Many chaperones are heat shock proteins, that is, proteins expressed in response to elevated temperatures or other cellular stresses. Heat shock protein chaperones are classified based on their observed molecular weights into Hsp60, Hsp70, Hsp90, Hsp104, and small Hsps. The Hsp60 family of protein chaperones are termed chaperonins, and are characterized by a stacked double ring structure and are found in prokaryotes, in the cytosol of eukaryotes, and in mitochondria. Some chaperone systems work as foldases: they support the folding of proteins in an ATP dependent manner (for example, the GroEL/GroES or the DnaK/DnaJ/GrpE system). Although most newly synthesized proteins can fold in absence of chaperones, a minority strictly requires them for the same. Other chaperones work as holdases: they bind folding intermediates to prevent their aggregation, for example DnaJ or Hsp33. Chaperones can also work as disaggregases, which interact with aberrant protein assemblies and revert them to monomers. Some chaperones can assist in protein degradation, leading proteins to protease systems, such as the ubiquitin proteasome system in eukaryotes. Chaperone proteins participate in the folding of over half of all mammalian proteins. Macromolecular crowding may be important in chaperone function. The crowded environment of the cytosol can accelerate the folding process, since a compact folded protein will occupy less volume than an unfolded protein chain. However, crowding can reduce the yield of correctly folded protein by increasing protein aggregation. Crowding may also increase the effectiveness of the chaperone proteins such as GroEL, which could counteract this reduction in folding efficiency. Some highly specific 'steric chaperones' convey unique structural information onto proteins, which cannot be folded spontaneously. Such proteins violate Anfinsen's dogma, requiring protein dynamics to fold correctly. Other types of chaperones are involved in transport across membranes, for example membranes of the mitochondria and endoplasmic reticulum (ER) in eukaryotes. A bacterial translocation specific chaperone SecB maintains newly synthesized precursor polypeptide chains in a translocation competent (generally unfolded) state and guides them to the translocon. New functions for chaperones continue to be discovered, such as bacterial adhesin activity, induction of aggregation towards non amyloid aggregates, suppression of toxic protein oligomers via their clustering, and in responding to diseases linked to protein aggregation and cancer maintenance.
Адамның шаперон ақуыздары
Адам жасушаларының желілерінде шаперон ақуыздары жалпы протеома массасының шамамен 10% құрайтыны анықталды және адам тіндерінің барлығында кеңінен таралған, жоғары деңгейде экспрессияланады. Шаперондар эндоплазмалық ретикулумда (ЭР) кеңінен кездеседі, себебі белок синтезі көбінесе осы аймақта жүзеге асырылады.
In human cell lines, chaperone proteins were found to compose ~10% of the gross proteome mass, and are ubiquitously and highly expressed across human tissues. Chaperones are found extensively in the endoplasmic reticulum (ER), since protein synthesis often occurs in this area.
Номенклатура және шаферлер отбасыларының мысалдары
Шаперондардың көптеген түрлі отбасылары бар; әр отбасы ақуыздың дұрыс бүгілуіне әртүрлі жолмен көмектеседі. E. coli сияқты бактерияларда, осы ақуыздардың көпшілігі жоғары стресс жағдайында, мысалы бактерия жоғары температураға ұшырағанда, белсенділігі артады, сондықтан жылу шок ақуыздары шаперондары ең көп таралған. Шаперондарды атау үшін түрлі номенклатуралар қолданылады. Жылу шок ақуыздары ретінде атаулар классикалық түрде "Hsp" деп басталып, содан кейін шамамен молекулалық массасы килодальтонмен көрсетіледі; мұндай атаулар көбінесе еукариоттарда, мысалы ашытқыда қолданылады. Бактериялық атаулардың формалары әртүрлі, және олар ашылған кездегі нақты функцияларымен байланысты. Мысалы, "GroEL" бастапқыда "фаг генінің Е мутациясы арқылы жеңілген фаг өсуінің кемістігі, үлкен суббірлік" дегенді білдіреді.
There are many different families of chaperones; each family acts to aid protein folding in a different way. In bacteria like E. coli, many of these proteins are highly expressed under conditions of high stress, for example, when the bacterium is placed in high temperatures, thus heat shock protein chaperones are the most extensive. A variety of nomenclatures are in use for chaperones. As heat shock proteins, the names are classically formed by "Hsp" followed by the approximate molecular mass in kilodaltons; such names are commonly used for eukaryotes such as yeast. The bacterial names have more varied forms, and refer directly to their apparent function at discovery. For example, "GroEL" originally stands for "phage growth defect, overcome by mutation in phage gene E, large subunit".
Hsp10 және Hsp60
Hsp10/60 (E. coli-дегі GroEL/GroES кешені) – ең жақсы сипатталған ірі (~ 1 MDa) шаперон кешені. GroEL (Hsp60) – ашылуында гидрофобтық аймақ бар 14 бірлікten тұратын қос сақиналы құрылым; ол өте үлкен болғандықтан, 54 kDa GFP-тің түпкілікті бүктелуін өз ішінде қабылдай алады. GroES (Hsp10) – АТФ немесе АДФ қатысында GroEL-ге байланысатын бір сақиналы 7 бірлікten тұратын құрылым. GroEL/GroES бұрын қалыптасқан агрегаттарды кері қайтаруға қабілетсіз болуы мүмкін, бірақ қате бүктелу және агрегация жолында бәсекелеседі. Сондай-ақ, митохондрия матрицасында молекулалық шаперон ретінде де әрекет етеді.
Hsp10/60 (GroEL/GroES complex in E. coli) is the best characterized large (~ 1 MDa) chaperone complex. GroEL (Hsp60) is a double ring 14mer with a hydrophobic patch at its opening; it is so large it can accommodate native folding of 54 kDa GFP in its lumen. GroES (Hsp10) is a single ring heptamer that binds to GroEL in the presence of ATP or ADP. GroEL/GroES may not be able to undo previous aggregation, but it does compete in the pathway of misfolding and aggregation. Also acts in mitochondrial matrix as molecular chaperone.
Hsp70 және Hsp40
Hsp70 (E. coli-дегі DnaK) - бұл ең жақсы сипатталған шағын (~ 70 кДа) шаперон. Hsp70 ақуыздарына Hsp40 ақуыздары (E. coli-де DnaJ) көмектеседі, олар Hsp70-нің АТФ тұтыну жылдамдығы мен активтілігін арттырады. Бұл екі ақуыз бактерияларда "Дна" деп аталады, себебі олар алғашқыда E. coli ДНҚ көбеюіне қажет деп анықталған. Жасушада Hsp70 ақуыздарының экспрессиясының жоғарылауы апоптозға бейімділікті азайтады. Нақты механизм толыққанды түсіндірілмегенімен, Hsp70-нің АДФ-қа байланысқанда дұрыс бүгілмеген ақуыздарға жоғары байланысқа ие екені, ал АТФ-қа байланысқанда төмен байланысқа ие екені белгілі. Көптеген Hsp70 молекулалары дұрыс бүгілмеген субстраттың айналасына жиналып, оны тұрақтандырып, дұрыс бүгілгенше агрегацияның алдын алады деп саналады. Осы кезде Hsp70 молекулалары байланысын жоғалтып, таралады. Hsp70 эукариоттарда митохондриялық және хлоропластикалық молекулалық шаперон ретінде де әрекет етеді.
Hsp70 (DnaK in E. coli) is perhaps the best characterized small (~ 70 kDa) chaperone. The Hsp70 proteins are aided by Hsp40 proteins (DnaJ in E. coli), which increase the ATP consumption rate and activity of the Hsp70s. The two protein are named "Dna" in bacteria because they were initially identified as being required for E. coli DNA replication. It has been noted that increased expression of Hsp70 proteins in the cell results in a decreased tendency toward apoptosis. Although a precise mechanistic understanding has yet to be determined, it is known that Hsp70s have a high affinity bound state to unfolded proteins when bound to ADP, and a low affinity state when bound to ATP. It is thought that many Hsp70s crowd around an unfolded substrate, stabilizing it and preventing aggregation until the unfolded molecule folds properly, at which time the Hsp70s lose affinity for the molecule and diffuse away. Hsp70 also acts as a mitochondrial and chloroplastic molecular chaperone in eukaryotes.
Hsp90
Hsp90 (E. coli-дегі HtpG) ең аз зерттелген шаперон болуы мүмкін. Оның молекулалық салмағы шамамен 90 кДа, және ол эукариоттардың тірі қалуы үшін қажет (прокариоттар үшін де қажет болуы мүмкін). Жылу шок ақуызы 90 (Hsp90) – эукариоттық жасушада көптеген сигналдық ақуыздарды белсендіруге қажетті молекулалық шаперон. Әрбір Hsp90 АТФ байланысатын домен, орталық домен және димеризация доменінен тұрады. Алғашқыда АТФ-қа байланысқанда субстрат ақуызына (клиент ақуыз деп те аталады) жабысып тұрады деп есептелген, бірақ Вон және басқалар, сондай-ақ Әли және басқалар жақында жариялаған зерттеулер клиент ақуыздары Hsp90-ның N-терминалды және орталық домендеріне сырттан байланысатынын көрсетті. Hsp90 иммунофилиндер, Sti1, p50 (Cdc37) және Aha1 сияқты қосалқы шаперондарды қажет етуі мүмкін, сонымен қатар Hsp70 шаперондық жүйесімен де бірлесе жұмыс істейді.
Hsp90 (HtpG in E. coli) may be the least understood chaperone. Its molecular weight is about 90 kDa, and it is necessary for viability in eukaryotes (possibly for prokaryotes as well). Heat shock protein 90 (Hsp90) is a molecular chaperone essential for activating many signaling proteins in the eukaryotic cell. Each Hsp90 has an ATP binding domain, a middle domain, and a dimerization domain. Originally thought to clamp onto their substrate protein (also known as a client protein) upon binding ATP, the recently published structures by Vaughan et al. and Ali et al. indicate that client proteins may bind externally to both the N terminal and middle domains of Hsp90. Hsp90 may also require co chaperones like immunophilins, Sti1, p50 (Cdc37), and Aha1, and also cooperates with the Hsp70 chaperone system.
Hsp100
Hsp100 (E. coli-дегі Clp отбасы) ақуыздары in vivo және in vitro жағдайында зерттелді, олардың таңбаланған және қате бүлінген ақуыздарды анықтап, жазу қабілетіне байланысты. Hsp100/Clp отбасындағы ақуыздар АТФ қатысуымен дефолдаза активтілігіне ие үлкен гексамерлік құрылымдарды құрайды. Бұл ақуыздар клиенттік ақуыздарды кішкентай 20 Å (2 нм) тесік арқылы тізбектеп жіберіп, шаперондық қызмет атқарады деп саналады, соның арқасында әрбір клиенттік ақуызға қайта бүктелуге екінші мүмкіндік туады. ClpA және ClpX сияқты Hsp100 шаперондарының кейбіреулері екі сақиналы тетрадекамерлі серин протеазасы ClpP-мен байланысады; клиенттік ақуыздарды қайта бүктеуді катализдейтін емес, олар таңбаланған және дұрыс бүлінбеген ақуыздарды жоюға жауапты. Saccharomyces cerevisiae Hsp104 Hsp100 көптеген ашытқы приондарының таралуы үшін қажет. HSP104 генінің жойылуы белгілі бір приондарды таратуға қабілетсіз жасушаларға алып келеді.
Hsp100 (Clp family in E. coli) proteins have been studied in vivo and in vitro for their ability to target and unfold tagged and misfolded proteins. Proteins in the Hsp100/Clp family form large hexameric structures with unfoldase activity in the presence of ATP. These proteins are thought to function as chaperones by processively threading client proteins through a small 20 Å (2 nm) pore, thereby giving each client protein a second chance to fold. Some of these Hsp100 chaperones, like ClpA and ClpX, associate with the double ringed tetradecameric serine protease ClpP; instead of catalyzing the refolding of client proteins, these complexes are responsible for the targeted destruction of tagged and misfolded proteins. Hsp104, the Hsp100 of Saccharomyces cerevisiae, is essential for the propagation of many yeast prions. Deletion of the HSP104 gene results in cells that are unable to propagate certain prions.
Бактериофаг
Бактериофаг (фаг) T4 гендері, фагтың T4 құрылымын анықтауға қатысы бар ақуыздарды кодтайтын, шартты өлімге әкелетін мутанттарды пайдалану арқылы анықталды. Бұл ақуыздардың көпшілігі дамыған фаг бөлшегінің негізгі немесе қосалқы құрылымдық компоненттері болып шықты. Дегенмен, фагты құрастыру үшін қажетті ген өнімдері (gp) ішінде, Снустад фаг құрылымына енбестен, катализдік әрекет көрсететін gp тобын анықтады. Бұл gp-лер gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 және gp4 болды [4-ген 50 және 65 гендерімен синонимді, сондықтан gp-ні gp4(50)(65) деп белгілеуге болады]. Осы алты ген өнімінің алғашқы төртеуі кейіннен шаперон ақуыздары екені анықталды. Сонымен қатар, gp40, gp57A, gp63 және gpwac- та шаперон ретінде сәйкессіздік тапты. Фаг T4 морфогенезі үш тәуелсіз жолға бөлінеді: бас, құйрық және ұзын құйрық талшықтары жолдары, Яп пен Россманның егжей-тегжейлі сипаттамасы бойынша. Бас морфогенезіне қатысты, gp31 шапероны бактериялық шаперон GroEL-мен өзара әрекеттесіп, бас капсидінің негізгі ақуызы gp23-тің дұрыс бүктелуін қамтамасыз етеді. Құйрықтың толық құрастырылуы кезінде, gp26 және gp51 шаперон ақуыздары негіз тақтасының шоғырлы құрастырылуы үшін қажет. Gp57A, негіз тақтасының қысқа құйрық талшықтарының құрылымдық компоненті gp12-нің дұрыс бүктелуі үшін қажет. Шаперонды gp63 және gpwac ақуыздары ұзын құйрық талшықтарын құйрық негіз тақтасына бекітуге жұмылдырылады. "Молекулалық шаперон" термині әдебиетте алғаш рет 1978 жылы пайда болды, және Рон Ласки оны нуклеоплазма деп аталатын ядролық ақуыздың, нуклеосомалар құрастырылғанда ДНК-мен байланысқан гистон ақуыздарының агрегациясын болдырмау қабілетін сипаттау үшін ойлап тапты. Кейіннен 1987 жылы Р. Джон Эллис бұл терминді белок кешендерінің трансляциядан кейінгі құрастырылуына қатысқан ақуыздарды сипаттау үшін кеңейтті. 1988 жылы осыған ұқсас ақуыздардың прокариоттар мен эукариоттарда да осы процеске қатысатыны анықталды. Бұл процестің толық егжей-тегжейі 1989 жылы анықталды, АТФ-ге тәуелді ақуыздың бүктелуі in vitro жағдайында көрсетілді.
The genes of bacteriophage (phage) T4 that encode proteins with a role in determining phage T4 structure were identified using conditional lethal mutants. Most of these proteins proved to be either major or minor structural components of the completed phage particle. However among the gene products (gps) necessary for phage assembly, Snustad identified a group of gps that act catalytically rather than being incorporated themselves into the phage structure. These gps were gp26, gp31, gp38, gp51, gp28, and gp4 [gene 4 is synonymous with genes 50 and 65, and thus the gp can be designated gp4(50)(65)]. The first four of these six gene products have since been recognized as being chaperone proteins. Additionally, gp40, gp57A, gp63 and gpwac have also now been identified as chaperones. Phage T4 morphogenesis is divided into three independent pathways: the head, the tail and the long tail fiber pathways as detailed by Yap and Rossman. With regard to head morphogenesis, chaperone gp31 interacts with the bacterial host chaperone GroEL to promote proper folding of the major head capsid protein gp23. During overall tail assembly, chaperone proteins gp26 and gp51 are necessary for baseplate hub assembly. Gp57A is required for correct folding of gp12, a structural component of the baseplate short tail fibers. Chaperone proteins gp63 and gpwac are employed in attachment of the long tail fibers to the tail baseplate. The term "molecular chaperone" appeared first in the literature in 1978, and was invented by Ron Laskey to describe the ability of a nuclear protein called nucleoplasmin to prevent the aggregation of folded histone proteins with DNA during the assembly of nucleosomes. The term was later extended by R. John Ellis in 1987 to describe proteins that mediated the post translational assembly of protein complexes. In 1988, it was realised that similar proteins mediated this process in both prokaryotes and eukaryotes. The details of this process were determined in 1989, when the ATP dependent protein folding was demonstrated in vitro.
Клиникалық маңызы
Шаперондарды кодтайтын гендердегі мутациялармен байланысты көптеген аурулар (яғни, мультисистемді протеинопатия) бар, олар бұлшық ет, сүйек және/немесе орталық нерв жүйесіне әсер етуі мүмкін.
There are many disorders associated with mutations in genes encoding chaperones (i. e. multisystem proteinopathy) that can affect muscle, bone and/or the central nervous system.