Семейство белков HSP60: шапероны и механизмы сворачивания белка.

Введение

Семейство InterPro

HSP60, также известное как шаперонины (Cpn), – это семейство белков теплового шока, изначально классифицированных по их молекулярной массе в 60 кДа. Они предотвращают неправильное сворачивание белков в стрессовых ситуациях, таких как высокая температура, способствуя правильному сворачиванию. HSP60 принадлежит к большому классу молекул, помогающих сворачиванию белков, называемых молекулярными шаперонами. Новосинтезированные белки обычно должны сворачиваться из линейной цепи аминокислот в трехмерную третичную структуру. Энергия, необходимая для сворачивания белков, обеспечивается нековалентными взаимодействиями между боковыми цепями аминокислот каждого белка и влиянием растворителя. Большинство белков спонтанно сворачиваются в свою наиболее стабильную трехмерную конформацию, которая обычно также является их функциональной конформацией, но иногда происходит неправильное сворачивание. Молекулярные шапероны катализируют повторное сворачивание белков, ускоряя частичное разворачивание неправильно свернутых белков, при поддержке энергии, высвобождающейся при гидролизе аденозинтрифосфата (АТФ). Белки-шаперонины также могут маркировать неправильно свернутые белки для последующей деградации. Предполагается, что исходный шаперонин эволюционировал из пероксиредоксина.

Группа I

Чаперонины группы I (Cpn60) обнаруживаются в бактериях, а также в органеллах эндосимбиотического происхождения: хлоропластах и митохондриях. Комплекс GroEL/GroES в *E. coli* является чаперонином группы I и наиболее хорошо изученным крупным (~ 1 MDa) комплексом чаперонина. GroEL представляет собой двойное кольцо из 14 субъединиц с жирным гидрофобным участком у отверстия и способен вмещать нативную конформацию субстратов размером 15–60 кДа. GroES – это однокольцевой гептамер, который связывается с GroEL в присутствии АТФ или аналогов переходного состояния гидролиза АТФ, таких как ADP·AlF3. Его можно представить как крышку, закрывающую GroEL (как коробку или бутылку). GroEL/GroES не способен расщеплять белковые агрегаты, но кинетически конкурирует с путем неправильного сворачивания и агрегации, тем самым предотвращая образование агрегатов. Подсемейство Cpn60 было открыто в 1988 году и секвенировано в 1992 году. Олигомеры cpn10 и cpn60 также требуют Mg2+·АТФ для взаимодействия и формирования функционального комплекса. Связывание cpn10 с cpn60 ингибирует слабую АТФазную активность cpn60. Белок, связывающий субъединицу RuBisCO, является членом этого семейства. Некоторые бактерии используют несколько копий этого шаперонина, вероятно, для различных пептидов. Чаперонины группы II (TCP1), обнаруженные в цитозоле эукариот и в археях, изучены хуже. Комплекс в археях называется термосомой. Являясь гомо-16-мером в некоторых археях, он считается прототипичным шаперонином II типа. Некоторые археи эволюционировали и, подобно эукариотам, используют различные субъединицы. *Methanosarcina acetivorans* известно наличие пяти типов субъединиц. Считается, что шаперонины группы II не используют кофактор типа GroES для сворачивания своих субстратов. Вместо этого они содержат "встроенную" крышку, которая закрывается в зависимости от АТФ для инкапсуляции субстратов, что необходимо для оптимальной активности сворачивания белка. Они также взаимодействуют с ко-шапероном префолдином, который помогает перемещению субстрата внутрь.

Механизм действия

Чаперонины претерпевают значительные конформационные изменения в ходе реакции сворачивания, обусловленные ферментативным гидролизом АТФ, а также связыванием субстратных белков и кошаперонинов, таких как GroES. Эти конформационные изменения позволяют шаперонину связывать развернутый или неправильно свернутый белок, заключать его в одну из полостей, образованных двумя кольцами, и высвобождать обратно в раствор. После высвобождения субстратный белок либо будет свернут, либо потребует дополнительных циклов сворачивания, в этом случае он может снова быть связан шаперонином. Точный механизм, посредством которого шаперонины способствуют сворачиванию субстратных белков, неизвестен. Согласно недавним анализам, выполненным с использованием различных экспериментальных методов, субстратные белки, связанные с GroEL, населяют ансамбль компактных и локально расширенных состояний, лишенных стабильных третичных взаимодействий. Предложено несколько моделей действия шаперонинов, которые обычно фокусируются на двух (не взаимоисключающих) ролях внутренней части шаперонина: пассивной и активной. Пассивные модели рассматривают шаперонин как инертную структуру, оказывающую влияние за счет уменьшения конформационного пространства, доступного субстратному белку, или предотвращения межмолекулярных взаимодействий, например, предотвращая агрегацию. Активная роль шаперонина, в свою очередь, связана со специфическими взаимодействиями шаперонина и субстрата, которые могут быть сопряжены с конформационными перестройками шаперонина. Вероятно, наиболее популярной моделью активной роли шаперонина является итеративный механизм отжига (IAM), который фокусируется на эффекте итеративного и по своей природе гидрофобного связывания субстратного белка с шаперонином. Согласно данным компьютерного моделирования, IAM приводит к более продуктивному сворачиванию, разворачивая субстрат из неправильно свернутых конформаций. Бактерия *E. coli* является хозяином бактериофага T4. Кодируемый бактериофагом белок gp31, по-видимому, является гомологом кошаперонинового белка GroES *E. coli* и способен замещать его при сборке вирионов фага T4 во время инфекции. Как и GroES, gp31 образует стабильный комплекс с шаперонином GroEL, который абсолютно необходим для сворачивания и сборки *in vivo* основного капсидного белка бактериофага T4 gp23.

Chaperonins undergo large conformational changes during a folding reaction as a function of the enzymatic hydrolysis of ATP as well as binding of substrate proteins and cochaperonins, such as GroES. These conformational changes allow the chaperonin to bind an unfolded or misfolded protein, encapsulate that protein within one of the cavities formed by the two rings, and release the protein back into solution. Upon release, the substrate protein will either be folded or will require further rounds of folding, in which case it can again be bound by a chaperonin. The exact mechanism by which chaperonins facilitate folding of substrate proteins is unknown. According to recent analyses by different experimental techniques, GroEL bound substrate proteins populate an ensemble of compact and locally expanded states that lack stable tertiary interactions. A number of models of chaperonin action have been proposed, which generally focus on two (not mutually exclusive) roles of chaperonin interior: passive and active. Passive models treat the chaperonin cage as an inert form, exerting influence by reducing the conformational space accessible to a protein substrate or preventing intermolecular interactions e. g. by aggregation prevention. The active chaperonin role is in turn involved with specific chaperonin–substrate interactions that may be coupled to conformational rearrangements of the chaperonin. Probably the most popular model of the chaperonin active role is the iterative annealing mechanism (IAM), which focuses on the effect of iterative, and hydrophobic in nature, binding of the protein substrate to the chaperonin. According to computational simulation studies, the IAM leads to more productive folding by unfolding the substrate from misfolded conformations The bacterium E. coli is the host for bacteriophage T4. The bacteriophage encoded gp31 protein appears to be homologous to the E. coli cochaperonin protein GroES and is able to substitute for it in the assembly of phage T4 virions during infection. Like GroES, gp31 forms a stable complex with GroEL chaperonin that is absolutely necessary for the folding and assembly in vivo of the bacteriophage T4 major capsid protein gp23.

Клиническое значение

GroEL человека является иммунодоминирующим антигеном у пациентов с болезнью легионеров и, как считается, играет роль в защите бактерий Legionella от кислородных радикалов внутри макрофагов. Эта гипотеза основана на обнаружении повышения экспрессии гена cpn60 в ответ на перекись водорода, являющуюся источником кислородных радикалов. Также было установлено, что Cpn60 обладает выраженной антигенностью у многих видов бактерий и способен индуцировать иммунную защиту против неродственных бактериальных инфекций.