Chaperone (protein)
Inom molekylärbiologi är molekylära chaperoner proteiner som hjälper konformationsveckningen eller utvecklingen av stora proteiner eller makromolekylära proteinkomplex . Det finns ett antal klasser av molekylära chaperoner, som alla fungerar för att hjälpa stora proteiner i korrekt proteinveckning under eller efter syntes och efter partiell denaturering. Chaperones är också involverade i translokationen av proteiner för proteolys .
De första molekylära chaperonerna som upptäcktes var en typ av monteringschaperoner som hjälper till vid sammansättningen av nukleosomer från vikta histoner och DNA . En viktig funktion hos molekylära chaperoner är att förhindra aggregering av felveckade proteiner, så många chaperonproteiner klassificeras som värmechockproteiner , eftersom tendensen till proteinaggregation ökar av värmestress.
Majoriteten av molekylära chaperoner förmedlar ingen sterisk information för proteinveckning, utan hjälper istället till med proteinveckning genom att binda till och stabilisera veckningsmellanprodukter tills polypeptidkedjan är fullständigt translaterad . Chaperonernas specifika funktionssätt skiljer sig beroende på deras målproteiner och placering. chaperoners struktur, dynamik och funktion. Bulk biokemiska mätningar har informerat oss om proteinveckningseffektiviteten och förhindrande av aggregering när chaperones är närvarande under proteinveckning. Nyligen genomförda framsteg inom enkelmolekylanalys har gett insikter i strukturell heterogenitet hos chaperoner, vikningsmellanprodukter och affinitet hos chaperoner för ostrukturerade och strukturerade proteinkedjor.
Funktioner hos molekylära chaperoner
Många chaperones är värmechockproteiner , det vill säga proteiner som uttrycks som svar på förhöjda temperaturer eller andra cellulära påfrestningar. Värmechockproteinchaperoner klassificeras baserat på deras observerade molekylvikter i Hsp60, Hsp70, Hsp90, Hsp104 och små Hsps. Hsp60-familjen av proteinchaperoner kallas chaperoniner och kännetecknas av en staplad dubbelringstruktur och finns i prokaryoter, i cytosolen hos eukaryoter och i mitokondrier.
Vissa chaperonesystem fungerar som foldaser : de stöder veckningen av proteiner på ett ATP-beroende sätt (till exempel GroEL / GroES eller DnaK / DnaJ / GrpE -systemet). Även om de flesta nysyntetiserade proteiner kan vikas i frånvaro av chaperoner, kräver en minoritet dem strikt för detsamma. Andra chaperoner fungerar som holdaser : de binder vikningsmellanprodukter för att förhindra deras aggregering, till exempel DnaJ eller Hsp33 . Chaperones kan också fungera som disaggregaser, som interagerar med avvikande proteinsammansättningar och återställer dem till monomerer. Vissa chaperoner kan hjälpa till med proteinnedbrytning , vilket leder proteiner till proteassystem , såsom ubiquitin-proteasomsystemet i eukaryoter . Chaperoneproteiner deltar i veckningen av över hälften av alla däggdjursproteiner. [ citat behövs ]
Makromolekylär trängsel kan vara viktig i chaperonfunktionen. Cytosolens trånga miljö kan påskynda veckningsprocessen, eftersom ett kompakt veckat protein kommer att uppta mindre volym än en ovikt proteinkedja. Men trängsel kan minska utbytet av korrekt veckat protein genom att öka proteinaggregationen . Trängsel kan också öka effektiviteten hos chaperoneproteinerna som GroEL , vilket kan motverka denna minskning av veckningseffektiviteten. Vissa mycket specifika "steriska chaperoner" förmedlar unik strukturell information till proteiner, som inte kan vikas spontant. Sådana proteiner bryter mot Anfinsens dogm , vilket kräver proteindynamik för att vika sig korrekt.
Andra typer av chaperoner är involverade i transport över membran , till exempel membran i mitokondrierna och endoplasmatiskt reticulum (ER) i eukaryoter . En bakteriell translokationsspecifik chaperone SecB upprätthåller nysyntetiserade prekursorpolypeptidkedjor i ett translokationskompetent ( i allmänhet ovikt ) tillstånd och guidar dem till translokonet .
Nya funktioner för chaperones fortsätter att upptäckas, såsom bakteriell adhesinaktivitet , induktion av aggregation mot icke-amyloidaggregat, undertryckande av toxiska proteinoligomerer via deras klustring, och för att svara på sjukdomar kopplade till proteinaggregation och cancerupprätthållande.
Human chaperone proteiner
I mänskliga cellinjer visade sig chaperoneproteiner utgöra ~10% av bruttoproteommassan och uttrycks överallt och i hög grad över mänskliga vävnader.
Chaperoner finns i stor utsträckning i det endoplasmatiska retikulumet (ER), eftersom proteinsyntes ofta förekommer i detta område.
Endoplasmatiska retiklet
I det endoplasmatiska retikulumet (ER) finns allmänna, lektin- och icke-klassiska molekylära chaperoner som modererar proteinveckning.
- Allmänna chaperoner: GRP78/BiP , GRP94 , GRP170 .
- Lektinhjälpare: calnexin och calreticulin
- Icke-klassiska molekylära chaperoner: HSP47 och ERp29
- Fällbara följeslagare:
- Proteindisulfid-isomeras (PDI),
- Peptidylprolyl cis-trans-isomeras (PPI), Prolyl-isomeras
- ERp57
Nomenklatur och exempel på chaperonefamiljer
Det finns många olika familjer av chaperones; varje familj agerar för att hjälpa proteinveckning på olika sätt. I bakterier som E. coli uttrycks många av dessa proteiner i hög grad under förhållanden med hög stress, till exempel när bakterien placeras i höga temperaturer, sålunda är värmechockproteinchaperoner de mest omfattande.
En mängd olika nomenklaturer används för chaperones. Som värmechockproteiner är namnen klassiskt bildade av "Hsp" följt av den ungefärliga molekylmassan i kilodalton ; sådana namn används ofta för eukaryoter som jäst. Bakterienamnen har mer varierande former och hänvisar direkt till deras utseendefunktion vid upptäckt. Till exempel står "GroEL" ursprungligen för "fagtillväxtdefekt, övervunnen genom mutation i faggen E, stor subenhet".
Hsp10 och Hsp60
Hsp10/60 (GroEL/GroES-komplex i E. coli ) är det bäst karakteriserade stora (~ 1 MDa) chaperonkomplexet. GroEL (Hsp60) är en dubbelring 14mer med en hydrofob lapp vid dess öppning; den är så stor att den kan rymma naturlig vikning av 54-kDa GFP i dess lumen. GroES (Hsp10) är en enkelringsheptamer som binder till GroEL i närvaro av ATP eller ADP. GroEL/GroES kanske inte kan ångra tidigare aggregering, men det konkurrerar i vägen för felveckning och aggregering. Fungerar även i mitokondriell matris som molekylär chaperon.
Hsp70 och Hsp40
Hsp70 (DnaK i E. coli ) är kanske den bäst karakteriserade lilla (~ 70 kDa) chaperonen. Hsp70- proteinerna stöds av Hsp40-proteiner (DnaJ i E. coli ), som ökar ATP-konsumtionshastigheten och aktiviteten hos Hsp70s. De två proteinerna kallas "Dna" i bakterier eftersom de ursprungligen identifierades som nödvändiga för E. coli DNA-replikation.
Det har noterats att ökat uttryck av Hsp70-proteiner i cellen resulterar i en minskad tendens till apoptos . Även om en exakt mekanistisk förståelse ännu inte har fastställts, är det känt att Hsp70s har ett högaffinitetsbundet tillstånd till oveckade proteiner när de binds till ADP , och ett lågaffinitetstillstånd när de är bundna till ATP .
Man tror att många Hsp70:s trängs runt ett ovikt substrat, stabiliserar det och förhindrar aggregering tills den ovikta molekylen viker sig ordentligt, då Hsp70s förlorar affinitet för molekylen och diffunderar bort. Hsp70 fungerar också som en mitokondriell och kloroplastisk molekylär chaperon i eukaryoter.
Hsp90
Hsp90 (HtpG i E. coli ) kan vara den minst förstådda chaperonen. Dess molekylvikt är cirka 90 kDa, och det är nödvändigt för livsduglighet i eukaryoter (möjligen även för prokaryoter). Värmechockprotein 90 (Hsp90) är en molekylär chaperon som är nödvändig för att aktivera många signalproteiner i den eukaryota cellen.
Varje Hsp90 har en ATP-bindande domän, en mellandomän och en dimeriseringsdomän . Ursprungligen tänkt att klämma fast på sitt substratprotein (även känt som ett klientprotein) vid bindning av ATP, de nyligen publicerade strukturerna av Vaughan et al. och Ali et al. indikerar att klientproteiner kan binda externt till både den N-terminala och mellersta domänen av Hsp90.
Hsp90 kan också kräva co-chaperones -liknande immunofiliner , Sti1 , p50 (Cdc37) och Ahal , och samarbetar också med Hsp70 chaperone-systemet.
Hsp100
Hsp100 (Clp-familjen i E. coli )-proteiner har studerats in vivo och in vitro för deras förmåga att rikta in sig på och vika upp taggade och felveckade proteiner.
Proteiner i Hsp100/Clp-familjen bildar stora hexamera strukturer med unfoldasaktivitet i närvaro av ATP. Dessa proteiner tros fungera som chaperoner genom att processivt trä klientproteiner genom en liten 20 Å (2 nm ) por, vilket ger varje klientprotein en andra chans att vika sig.
Några av dessa Hsp100-chaperoner, som ClpA och ClpX, associerar med det dubbelringade tetradecameriska serinproteaset ClpP; istället för att katalysera återveckningen av klientproteiner, är dessa komplex ansvariga för den riktade förstörelsen av taggade och felveckade proteiner.
Hsp104 , Hsp100 från Saccharomyces cerevisiae , är avgörande för förökningen av många jästprioner . Borttagning av HSP104-genen resulterar i celler som inte kan föröka vissa prioner .
Bakteriofag
Generna av bakteriofag (fag) T4 som kodar för proteiner med en roll vid bestämning av fag T4 - struktur identifierades med hjälp av villkorliga dödliga mutanter . De flesta av dessa proteiner visade sig vara antingen större eller mindre strukturella komponenter i den färdiga fagpartikeln. Men bland de genprodukter (gps) som är nödvändiga för fagmontering, identifierade Snustad en grupp gps som verkar katalytiskt snarare än att själva inkorporeras i fagstrukturen. Dessa gps var gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 och gp4 [gen 4 är synonymt med generna 50 och 65, och därför kan gp betecknas gp4(50)(65)]. De första fyra av dessa sex genprodukter har sedan dess erkänts som chaperonproteiner. Dessutom har gp40, gp57A, gp63 och gpwac också nu identifierats som chaperoner.
Fag T4- morfogenes är uppdelad i tre oberoende vägar: huvud-, svans- och långsvansfibervägarna som beskrivs i detalj av Yap och Rossman. När det gäller huvudmorfogenes interagerar chaperone gp31 med bakterievärdens chaperon GroEL för att främja korrekt veckning av huvudkapsidproteinet gp23 . Chaperone gp40 deltar i monteringen av gp20, och hjälper på så sätt till bildandet av kopplingskomplexet som initierar huvudets procapsidmontering. Gp4(50)(65), även om det inte är specifikt listat som en chaperon, fungerar katalytiskt som ett nukleas som verkar vara väsentligt för morfogenes genom att klyva packat DNA för att möjliggöra sammanfogning av huvuden till svansar.
Under den totala svansmonteringen är chaperoneproteinerna gp26 och gp51 nödvändiga för montering av basplattans nav. Gp57A krävs för korrekt vikning av gp12, en strukturell komponent i basplattans korta svansfibrer.
Syntesen av de långa svansfibrerna beror på chaperonproteinet gp57A som behövs för trimerisering av gp34 och gp37, de huvudsakliga strukturella proteinerna i svansfibrerna. Chaperoneproteinet gp38 krävs också för korrekt vikning av gp37. Chaperoneproteinerna gp63 och gpwac används för att fästa de långa svansfibrerna till svansbasplattan.
Historia
Utredningen av chaperoner har en lång historia. Termen "molekylär chaperon" dök upp först i litteraturen 1978, och uppfanns av Ron Laskey för att beskriva förmågan hos ett nukleärt protein som kallas nukleoplasmin att förhindra aggregering av vikta histonproteiner med DNA under sammansättningen av nukleosomer. Termen utökades senare av R. John Ellis 1987 för att beskriva proteiner som förmedlade den post-translationella sammansättningen av proteinkomplex. 1988 insåg man att liknande proteiner medierade denna process i både prokaryoter och eukaryoter. Detaljerna för denna process bestämdes 1989, när den ATP-beroende proteinveckningen visades in vitro .
Klinisk signifikans
Det finns många störningar associerade med mutationer i gener som kodar för chaperoner (dvs multisystemproteinopati ) som kan påverka muskler, ben och/eller centrala nervsystemet.
Se även
Media relaterade till Chaperone-proteiner på Wikimedia Commons