Белки-шапероны и помощь в правильной сборке белков.

Введение

Белки, способствующие сворачиванию белков

В молекулярной биологии молекулярные шапероны – это белки, которые помогают конформационному сворачиванию или разворачиванию крупных белков или макромолекулярных белковых комплексов. Существует несколько классов молекулярных шаперонов, все из которых способствуют правильному сворачиванию крупных белков во время или после синтеза, а также после частичной денатурации. Шапероны также участвуют в транслокации белков для протеолиза. Первыми обнаруженными молекулярными шаперонами были шапероны-ассамблеры, которые помогают в сборке нуклеосом из уже свернутых гистонов и ДНК. Одной из основных функций молекулярных шаперонов является предотвращение агрегации неправильно свернутых белков, поэтому многие шаперонные белки классифицируются как белки теплового шока, поскольку склонность к агрегации белков повышается при тепловом стрессе. Большинство молекулярных шаперонов не передают никакой стерической информации для сворачивания белка, а вместо этого способствуют сворачиванию белка, связываясь и стабилизируя промежуточные состояния сворачивания до полного завершения трансляции полипептидной цепи. Конкретный механизм действия шаперонов различается в зависимости от их целевых белков и локализации. Для изучения структуры, динамики и функционирования шаперонов применяются различные подходы. Объемные биохимические измерения предоставили информацию об эффективности сворачивания белка и предотвращении агрегации при присутствии шаперонов в процессе сворачивания. Недавние достижения в анализе отдельных молекул позволили получить представление о структурной неоднородности шаперонов, промежуточных состояниях сворачивания и аффинности шаперонов к неструктурированным и структурированным белковым цепям.

Функции молекулярных шаперонов

Многие шапероны являются белками теплового шока, то есть белками, экспрессируемыми в ответ на повышенные температуры или другие клеточные стрессы. Белки-шапероны теплового шока классифицируются на основе их наблюдаемых молекулярных весов на Hsp60, Hsp70, Hsp90, Hsp104 и малые Hsps. Семейство белковых шаперонов Hsp60 называется шаперонинами и характеризуется уложенной двойной кольцевой структурой. Они встречаются у прокариот, в цитозоле эукариот и в митохондриях. Некоторые системы шаперонов функционируют как фолдазы: они поддерживают сворачивание белков, зависящее от АТФ (например, системы GroEL/GroES или DnaK/DnaJ/GrpE). Хотя большинство вновь синтезированных белков могут сворачиваться в отсутствие шаперонов, меньшинство строго нуждается в них для этого. Другие шапероны действуют как холдазы: они связывают промежуточные продукты сворачивания, чтобы предотвратить их агрегацию, например DnaJ или Hsp33. Шапероны также могут функционировать как дезагрегазы, взаимодействуя с аномальными белковыми комплексами и возвращая их к мономерному состоянию. Некоторые шапероны могут способствовать деградации белков, направляя их в протеазные системы, такие как убиквитин-протеасомная система у эукариот. Белки-шапероны участвуют в сворачивании более половины всех белков млекопитающих. Макромолекулярная скученность может играть важную роль в функции шаперонов. Скученная среда цитозоля может ускорить процесс сворачивания, поскольку компактный, правильно свернутый белок занимает меньший объем, чем развернутая полипептидная цепь. Однако скученность может снизить выход правильно свернутого белка, увеличивая агрегацию белков. Скученность также может повысить эффективность работы шаперонов, таких как GroEL, что может компенсировать это снижение эффективности сворачивания. Некоторые высокоспецифичные «стерические шапероны» передают белкам уникальную структурную информацию, которую те не могут получить при спонтанном сворачивании. Такие белки противоречат догме Анфинсена, требуя динамики белка для правильного сворачивания. Другие типы шаперонов участвуют в транспорте через мембраны, например, мембраны митохондрий и эндоплазматической сети (ЭР) у эукариот. Бактериальный шаперон SecB, специфичный для транслокации, поддерживает вновь синтезированные полипептидные цепи-прекурсоры в состоянии, пригодном для транслокации (обычно развернутом), и направляет их к транслокону. Продолжают открываться новые функции шаперонов, такие как бактериальная адгезивная активность, индукция агрегации в неамилоидные агрегаты, подавление токсичных белковых олигомеров путем их кластеризации, а также участие в ответах на заболевания, связанные с агрегацией белков, и поддержание рака.

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.

Человеческие протеины-шапероны

В клеточных линиях человека белки-шапероны составляют около 10% от общей массы протеома и повсеместно и обильно экспрессируются во всех тканях человека. Шапероны в большом количестве обнаруживаются в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), так как синтез белка часто происходит именно там.

Номенклатура и примеры семейства сопровождающих

Существует множество различных семейств шаперонов; каждое семейство способствует правильному сворачиванию белков по-своему. У бактерий, таких как E. coli, многие из этих белков активно экспрессируются в условиях сильного стресса, например, при воздействии высоких температур, поэтому шапероны теплового шока представлены наиболее широко. Для шаперонов используется разнообразная номенклатура. В качестве белков теплового шока их названия классически формируются как "Hsp", за которым следует приблизительная молекулярная масса в килодальтонах; такие названия обычно применяются к эукариотам, например, дрожжам. Бактериальные названия имеют более разнообразные формы и отражают их предполагаемую функцию, выявленную при открытии. Например, "GroEL" первоначально расшифровывалось как "дефект роста фага, устраненный мутацией в фаговом гене E, большая субъединица".

Hsp10 и Hsp60

Hsp10/60 (комплекс GroEL/GroES у E. coli) – наиболее хорошо изученный крупный (~ 1 MDa) комплекс шаперонов. GroEL (Hsp60) представляет собой двойное кольцо, состоящее из 14 субъединиц, с гидрофобным участком у отверстия; он настолько велик, что способен вместить в свой люмен нативно свернутый белок GFP размером 54 кДа. GroES (Hsp10) – однокольцевой гептамер, который связывается с GroEL в присутствии АТФ или АДФ. GroEL/GroES, возможно, не способен расщеплять уже образовавшиеся агрегаты, но он конкурирует с путями неправильного сворачивания и агрегации. Также выполняет функции молекулярного шаперона в митохондриальном матриксе.

Hsp70 и Hsp40

Hsp70 (DnaK в E. coli) является, пожалуй, наиболее хорошо охарактеризованным небольшим (~70 кДа) шапероном. Белкам Hsp70 помогают белки Hsp40 (DnaJ в E. coli), которые увеличивают скорость потребления АТФ и их активность. Эти два белка получили название "Dna" у бактерий, поскольку изначально было установлено, что они необходимы для репликации ДНК E. coli. Отмечено, что повышенная экспрессия белков Hsp70 в клетке снижает склонность к апоптозу. Хотя точный механизм пока не установлен, известно, что Hsp70 проявляют высокое сродство к развернутым белкам при связывании с ADP и низкое сродство при связывании с ATP. Предполагается, что множество молекул Hsp70 окружают развернутую подложку, стабилизируя ее и предотвращая агрегацию до тех пор, пока молекула правильно не свернется, после чего Hsp70 теряют сродство к ней и диффундируют. Hsp70 также функционирует как митохондриальный и хлоропластический молекулярный шаперон у эукариот.

Hsp90

Hsp90 (HtpG в E. coli) может быть наименее изученным шапероном. Его молекулярная масса составляет около 90 кДа, и он необходим для выживания эукариот (и, возможно, прокариот). Белок теплового шока 90 (Hsp90) — это молекулярный шаперон, необходимый для активации многих сигнальных белков в эукариотической клетке. Каждый Hsp90 содержит АТФ-связывающий домен, средний домен и домен димеризации. Ранее считалось, что Hsp90 захватывает белок-субстрат (также известный как клиентский белок) при связывании с АТФ, однако недавно опубликованные структуры, представленные Vaughan et al. и Ali et al., указывают на то, что клиентские белки могут связываться с Hsp90 внешне, как с N-концевым, так и со средним доменами. Hsp90 также может требовать кошапероны, такие как иммунофилины, Sti1, p50 (Cdc37) и Aha1, и взаимодействует с системой шаперонов Hsp70.

Hsp100

Белки Hsp100 (семейство Clp у E. coli) изучались in vivo и in vitro на предмет их способности распознавать и разворачивать белки с метками и неправильно свернутые белки. Белки семейства Hsp100/Clp формируют крупные гексамерные структуры, обладающие активностью разворачивания в присутствии АТФ. Предполагается, что эти белки функционируют как шапероны, последовательно проводя клиентские белки через небольшое отверстие размером 20 Å (2 нм), тем самым предоставляя каждому клиентскому белку второй шанс на правильную сборку. Некоторые из этих Hsp100-шаперонов, такие как ClpA и ClpX, ассоциируют с двукольцевым тетрадекамерным сериновым протеазой ClpP; вместо катализа повторной сборки клиентских белков, эти комплексы отвечают за направленное разрушение белков с метками и неправильно свернутых белков. Hsp104, Hsp100 дрожжей Saccharomyces cerevisiae, необходим для поддержания и распространения многих дрожжевых прионов. Делеция гена HSP104 приводит к тому, что клетки теряют способность поддерживать определенные прионы.

Бактериофаг

Гены бактериофага (фага) T4, кодирующие белки, участвующие в определении структуры фага T4, были идентифицированы с использованием условных летальных мутантов. Большинство этих белков оказались основными или второстепенными структурными компонентами зрелой 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. Эти gp были gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 и gp4 [ген 4 является синонимом генов 50 и 65, поэтому gp может быть обозначен как gp4(50)(65)]. Первые четыре из этих шести генных продуктов впоследствии были идентифицированы как белки-шапероны. Кроме того, gp40, gp57A, gp63 и gpwac также были идентифицированы как шапероны. Морфогенез фага T4 разделен на три независимых пути: путь формирования головки, путь формирования хвоста и путь формирования длинных хвостовых волокон, как подробно описано Япом и Россманом. В отношении морфогенеза головки, шаперон gp31 взаимодействует с бактериальным шапероном GroEL для обеспечения правильной сборки основного капсидного белка головки gp23. В процессе общей сборки хвоста белки-шапероны gp26 и gp51 необходимы для сборки ступицы основной пластины. Gp57A необходим для правильной сборки gp12, структурного компонента коротких хвостовых волокон основной пластины. Белки-шапероны gp63 и gpwac участвуют в прикреплении длинных хвостовых волокон к основной пластине хвоста. Термин "молекулярный шаперон" впервые появился в литературе в 1978 году и был введен Роном Ласки для описания способности ядерного белка, называемого нуклеоплазмином, предотвращать агрегацию свернутых гистонных белков с ДНК во время сборки нуклеосом. Позднее, в 1987 году, Р. Джон Эллис расширил этот термин для описания белков, опосредующих посттрансляционную сборку белковых комплексов. В 1988 году было установлено, что подобные белки опосредуют этот процесс как у прокариот, так и у эукариот. Детали этого процесса были выяснены в 1989 году, когда in vitro было продемонстрировано АТФ-зависимое сворачивание белка.

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.

Клиническое значение

Существует множество заболеваний, связанных с мутациями в генах, кодирующих шапероны (то есть мультисистемная протеинопатия), которые могут поражать мышцы, кости и/или центральную нервную систему.