Введение

Ген, кодирующий белок, у вида Homo sapiens – бактериальный и митохондриальный ген человека.

GroEL – это белок, принадлежащий к семейству молекулярных шаперонов шаперонинов, и встречается у многих бактерий. Он необходим для правильного сворачивания многих белков. Для нормального функционирования GroEL требуется кошаперонин-белковый комплекс GroES, выполняющий роль "крышки". У эукариот органеллярные белки Hsp60 и Hsp10 структурно и функционально почти идентичны GroEL и GroES соответственно, что обусловлено их эндосимбиотическим происхождением. HSP60 участвует в импорте митохондриальных белков и макромолекулярной сборке. Он может способствовать правильному сворачиванию импортируемых белков, предотвращать неправильное сворачивание и стимулировать повторное сворачивание и правильную сборку развернутых полипептидов, образующихся в условиях стресса в митохондриальной матрице. HSP60 взаимодействует с HRAS, белком X вируса гепатита B и белком p40tax HTLV 1. HSP60 принадлежит к семейству шаперонов (HSP60). Примечание: Данное описание может включать информацию из UniProtKB. Альтернативные названия: 60 кДа шаперонин, Шаперонин 60, CPN60, Белок теплового шока 60, HSP 60, HuCHA60, Белок митохондриальной матрицы P1, Белок лимфоцитов P60, HSPD1.

Белок теплового шока 60 (HSP60) – это митохондриальный шаперонин, который обычно отвечает за транспортировку и повторное сворачивание белков из цитоплазмы в митохондриальную матрицу. Помимо своей роли белка теплового шока, HSP60 функционирует как шаперонин, помогая сворачивать линейные цепи аминокислот в соответствующую трехмерную структуру. Благодаря обширному изучению groEL, бактериального гомолога HSP60, HSP60 был признан необходимым для синтеза и транспортировки важных митохондриальных белков из цитоплазмы клетки в митохондриальную матрицу. Дальнейшие исследования связали HSP60 с диабетом, стрессовой реакцией, раком и некоторыми типами иммунологических расстройств.

Открытие

О функциях HSP60 известно немного. HSP60 млекопитающих впервые был описан как митохондриальный белок P1. Впоследствии он был клонирован и секвенирован Радхеем Гуптой и его соавторами. Аналогичная структура белка обнаружена в хлоропластах некоторых растений. Наличие этого белка служит доказательством эволюционной связи между развитием митохондрий и хлоропластов посредством эндосимбиоза.

Структура

В нормальных физиологических условиях HSP60 представляет собой олигомер весом 60 килодальтон, состоящий из мономеров, формирующих комплекс, организованный в виде двух сложенных гептамерических колец. Эта структура двойного кольца образует большую центральную полость, в которой развернутый белок связывается посредством гидрофобных взаимодействий. Эта структура обычно находится в равновесии со своими отдельными компонентами: мономерами, гептамерами и тетрадекамерами. Недавние исследования начали показывать, что помимо своего типичного расположения в митохондриях, HSP60 также может быть обнаружен в цитоплазме в нормальных физиологических условиях. Промежуточный домен индуцирует конформационное изменение при связывании АТФ, позволяя чередоваться между гидрофильными и гидрофобными участками связывания субстрата. Митохондриальная последовательность HSP60 содержит серию G-повторов в C-конце. Белки теплового шока в основном отвечают за поддержание целостности клеточных белков, особенно в ответ на изменения окружающей среды. Стрессовые факторы, такие как температура, дисбаланс концентрации, изменение pH и токсины, могут индуцировать белки теплового шока для поддержания конформации клеточных белков. HSP60 способствует правильному сворачиванию и поддержанию конформации примерно 15-30% всех клеточных белков. Многие белки направляются на обработку в матрице митохондрий, но затем быстро экспортируются в другие части клетки. Гидрофобная часть HSP60 отвечает за поддержание развернутой конформации белка для трансмембранного транспорта. Этот тетрадекамерный комплекс взаимодействует с другими транскрипционными элементами, служа регуляторным механизмом для репликации и передачи митохондриальной ДНК. Мутагенные исследования дополнительно подтвердили участие HSP60 в регуляции репликации и передачи митохондриальной ДНК. Мутации в HSP60 повышают уровень митохондриальной ДНК и приводят к последующим дефектам передачи.

Цитоплазматический и митохондриальный HSP60

В дополнение к уже проиллюстрированным структурным различиям между цитоплазматическим и митохондриальным HSP60, существуют выраженные функциональные различия. Исследования показали, что HSP60 играет ключевую роль в предотвращении апоптоза в цитоплазме. Цитоплазматический HSP60 образует комплекс с белками, ответственными за апоптоз, и регулирует активность этих белков. Несмотря на эти выраженные различия между цитоплазматической и митохондриальной формами, экспериментальный анализ показал, что клетка способна быстро перемещать цитоплазматическую HSP60 в митохондрии, если условия окружающей среды требуют более высокого содержания митохондриальной HSP60. Субъединицы HSP60 кодируются ядерными генами и транслируются в цитозоль. Затем эти субъединицы перемещаются в митохондрии, где они обрабатываются другими молекулами HSP60. Также накапливаются данные, свидетельствующие о его роли в аутоиммунных заболеваниях. Инфекция и болезнь оказывают крайне стрессовое воздействие на клетку. Когда клетка подвергается стрессу, она естественным образом увеличивает выработку стрессовых белков, включая белки теплового шока, такие как HSP60. Для того чтобы HSP60 действовал как сигнал, он должен присутствовать во внеклеточной среде. В недавних исследованиях выяснилось, что шаперонин 60 можно обнаружить на поверхности различных прокариотических и эукариотических клеток и даже в выделенном виде из клеток. Повышение выработки HSP60 позволяет поддерживать другие клеточные процессы, происходящие в клетке, особенно в стрессовые периоды. В одном эксперименте исследователи обрабатывали различных мышей L-ДОФА и обнаружили значительное повышение экспрессии HSP60 в митохондриях и экспрессии HSP70 в цитоплазме. Исследователи пришли к выводу, что сигнальный путь теплового шока служит «основным механизмом защиты от нейротоксичности, вызванной свободными радикалами кислорода и азота, образующимися при старении и нейродегенеративных расстройствах». Ряд исследований показали, что HSP60 и другие белки теплового шока необходимы для выживания клеток в токсических или стрессовых условиях.

Связь с раком

Hsp60 человека, продукт гена HSPD1, является митохондриальным шаперонином группы I, филогенетически связанным с бактериальным GroEL. Недавно было сообщено о присутствии Hsp60 вне митохондрий и за пределами клетки, например, в циркулирующей крови [1], [2]. Хотя предполагается, что внемитохондриальная молекула Hsp60 идентична митохондриальной, это пока не было полностью выяснено. Несмотря на растущее количество экспериментальных данных, свидетельствующих о присутствии Hsp60 за пределами клетки, до сих пор неясно, насколько распространен этот процесс и какие механизмы отвечают за транслокацию Hsp60 за пределы клетки. Ни один из этих вопросов не получил окончательного ответа, в то время как некоторая информация имеется относительно внеклеточного Hsp70. Этот шаперон также изначально считался внутриклеточным белком, как и Hsp60, но в последние годы значительные данные свидетельствуют о его периклеточном и внеклеточном расположении.

Hsp60 показано, что влияет на апоптоз в опухолевых клетках, что, по-видимому, связано с изменением уровней экспрессии. Существует некоторая непоследовательность в результатах исследований: одни показывают положительную экспрессию, другие – отрицательную, и это, по-видимому, зависит от типа рака. Существуют различные гипотезы, объясняющие эффекты положительной и отрицательной экспрессии. Положительная экспрессия, по-видимому, ингибирует апоптотическую и некротическую гибель клеток, в то время как отрицательная экспрессия, как считается, участвует в активации апоптоза. Помимо влияния на апоптоз, изменения уровня экспрессии Hsp60 оказались полезными новыми биомаркерами для диагностики и прогноза. Например, исследования опухолей яичников показали, что повышенная экспрессия коррелирует с более благоприятным прогнозом, а сниженная экспрессия – с агрессивным течением опухоли.

Термодинамика

Сжатое пространство внутри молекулярного комплекса сильно способствует компактным молекулярным конформациям белка-субстрата. Свободные в растворе, взаимодействия на больших расстояниях между неполярными группами возможны только с большой потерей энтропии. В ограниченном пространстве комплекса GroEL относительная потеря энтропии значительно меньше. Механизм захвата также способствует концентрации неполярных центров связывания отдельно от полярных. При удалении неполярных поверхностей GroEL вероятность столкновения любой неполярной группы с внутримолекулярным неполярным центром становится намного выше, чем в объёмном растворе. Гидрофобные участки, которые ранее были обращены наружу, собираются вместе в верхней части цис-домена и взаимодействуют друг с другом. Геометрия GroEL требует, чтобы полярные структуры располагались впереди и окружали неполярное ядро по мере его выхода с транс-стороны.

Структура

Структурно GroEL представляет собой двукольцевую тетрадекамеру, оба кольца – цис и транс – состоят из семи субъединиц каждое. Конформационные изменения, происходящие в центральной полости GroEL, приводят к тому, что внутренняя часть GroEL становится гидрофильной, а не гидрофобной, и, вероятно, именно это облегчает сворачивание белка. Ключ к активности GroEL заключается в структуре мономера. Мономер Hsp60 имеет три отчетливых участка, разделенных двумя шарнирными областями. Апикальный участок содержит множество гидрофобных центров связывания для развернутых белковых субстратов. Многие глобулярные белки не связываются с апикальным доменом, поскольку их гидрофобные части сгруппированы внутри, вдали от водной среды, так как это термодинамически оптимальная конформация. Таким образом, эти "субстратные участки" будут связываться только с белками, которые свернуты не оптимально. Апикальный домен также имеет центры связывания для мономеров Hsp10 GroES. Экваториальный домен имеет щель вблизи шарнирной точки для связывания АТФ, а также две точки прикрепления для другой половины молекулы GroEL. Остальная часть экваториального участка умеренно гидрофильна. Добавление АТФ и GroES оказывает резкое влияние на конформацию цис-домена. Этот эффект вызван изгибом и вращением в двух шарнирных точках на мономерах Hsp60. Промежуточный домен складывается вниз и внутрь примерно на 25° в нижней шарнирной точке. Этот эффект, усиленный кооперативным изгибом всех мономеров, увеличивает экваториальный диаметр клетки GroEL. Однако апикальный домен вращается на 60° вверх и наружу в верхней шарнирной точке, а также вращается на 90° вокруг оси шарнира. Это движение широко открывает клетку в верхней части цис-домена, но полностью удаляет центры связывания субстратов изнутри клетки.

Взаимодействия

Было показано, что GroEL взаимодействует с GroES, ALDH2 и дигидрофолатредуктазой.

Морфогенез фага Т4

Гены бактериофага (фага) T4, кодирующие белки, участвующие в определении структуры фага T4, были идентифицированы с использованием условно-летальных мутантов. Большинство этих белков оказались основными или второстепенными структурными компонентами сформированной фаговой частицы. Однако, среди генных продуктов (gp), необходимых для сборки фага, Снустад выделил группу gp, которые действуют каталитически, а не включаются непосредственно в структуру фага. К этим каталитическим gp относился gp31. Бактерия *E. coli* является хозяином для фага T4, и кодируемый фагом белок gp31 функционально гомологичен шаперону GroES *E. coli* и способен замещать его при сборке вирионов фага T4 во время инфекции. Роль кодируемого фагом белка gp31, по-видимому, заключается во взаимодействии с кодируемым хозяином *E. coli* белком GroEL для содействия правильному сворачиванию и сборке основного белка капсида головы фага, gp23.