Hsp70 - Hsp70

Hsp70 protein
Struktur af ATPase-fragmentet af et 70K varmechok-beslægtet protein.
Identifikatorer
Symbol	HSP70
Pfam	PF00012
Pfam klan	CL0108
InterPro	IPR013126
PROSIT	PDOC00269
SCOP2	3hsc / SCOPe / SUPFAM
Tilgængelige proteinstrukturer: Pfam   strukturer / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum strukturresumé

De 70 kilodalton varmechokproteiner ( Hsp70 s eller DnaK ) er en familie af konserverede allestedsnærværende udtrykte varmechokproteiner . Proteiner med lignende struktur findes i stort set alle levende organismer. Intracellulært lokaliserede Hsp70'er er en vigtig del af cellens maskineri til proteinfoldning , udførelse af chaperoneringsfunktioner og hjælper med at beskytte celler mod de negative virkninger af fysiologiske belastninger. Derudover er membranbundne Hsp70'er blevet identificeret som et potentielt mål for kræftbehandlinger, og deres ekstracellulært lokaliserede modparter er blevet identificeret som havende både membranbundne og membranfrie strukturer.

Opdagelse

Medlemmer af Hsp70 -familien er meget stærkt opreguleret af varmestress og giftige kemikalier, især tungmetaller som arsen, cadmium, kobber, kviksølv osv. Varmechok blev oprindeligt opdaget af Ferruccio Ritossa i 1960'erne, da en laboratoriearbejder ved et uheld forstærkede inkubationen temperatur på Drosophila (frugtfluer). Ved undersøgelse af kromosomerne fandt Ritossa et "puffemønster", der angav forhøjet gentranskription af et ukendt protein. Dette blev senere beskrevet som "Heat Shock Response", og proteinerne blev betegnet "Heat Shock Proteins" (Hsps).

Struktur

(a) Hsp70'ernes skematiske domæner. Hsp70'erne består af to højt bevarede funktionelle domæner, herunder et NBD og et C -terminalt substratbindende domæne (SBD), også et EEVD -motiv ved C -terminal. NBD indeholder ATP/ADP -lommen, der bindes, og SBD indeholder en substratbindende lomme, der interagerer med forlængede polypeptider som substrat, et α -spiralformet underdomæne fra den C -terminale side af SBD danner et fleksibelt låg. EEVD -motiv deltager i binding til co -chaperones og andre HSP'er. (b) den komplette aminosyresekvens af human Hsp70 (UniProtKB -identifikator: P0DMV8) som et vigtigt stressfremkaldende medlem af Hsp70 -familien. (c) Sekundære strukturer i Hsp70 virtualiseret ved hjælp af VMD 1.9.1 software. Hsp70, varmechokprotein 70 kDa; NBD, N -terminal nukleotidbindende domæne; SBD, substratbindingsdomæne ved C -terminal.

Hsp70 -proteinerne har tre hovedfunktionelle domæner :

• N-terminal ATPase- domæne -binder ATP ( Adenosintrifosfat ) og hydrolyserer det til ADP ( Adenosindiphosphat ). NBD (nukleotidbindende domæne) består af to lapper med en dyb kløft mellem sig, i bunden af ​​hvilke nukleotid (ATP og ADP) binder. Udvekslingen af ​​ATP og ADP fører til konformationsændringer i de to andre domæner.
• Substratbindingsdomæne - består af et 15 kDa β ark subdomæne og et 10 kDa spiralformet subdomæne. Ss -ark -underdomænet består af strandede β -ark med opad stikkende sløjfer, som en typisk β -tønde , som omslutter substratets peptidskelet. SBD indeholder en rille med en affinitet for neutrale, hydrofobe aminosyrerester . Rillen er lang nok til at interagere med peptider op til syv rester i længden.
• C-terminal domæne -rig på alfa-spiralformet struktur fungerer som et 'låg' for substratbindingsdomænet. Det spiralformede subdomæne består af fem spiraler, med to spiraler pakket mod to sider af β -arkets underdomæne, der stabiliserer den indre struktur. Derudover danner en af ​​spiralen en saltbro og flere hydrogenbindinger til de ydre sløjfer, hvorved den substratbindende lomme lukkes som et låg. Tre spiraler i dette domæne danner en anden hydrofob kerne, som kan være stabilisering af "låget". Når et Hsp70 -protein er ATP -bundet, er låget åbent, og peptider binder og frigiver relativt hurtigt. Når Hsp70 -proteiner er ADP -bundet, lukkes låget, og peptider bindes tæt til substratbindingsdomænet.

Fosforylering af isoleret serinrest ved hjælp af proteinkinase.

Proteinphosphorylering, en posttranslationel ændring, hjælper med at regulere proteinfunktionen og involverer phosphorylering af aminosyrer med hydroxylgrupper i deres sidekæder (blandt eukaryoter). Serin, threonin og tyrosin aminosyrer er almindelige mål for phosphorylering. Fosforylering af Hsp70 er relativt nylig blevet et punkt for større efterforskning i videnskabelig litteratur. En publikation fra 2020 tyder på, at fosforylering af en serinrest mellem NBD og substratbindingsdomænet i gær Hsp70'er fører til en dramatisk reduktion af det normale Hsp70 varmechokrespons. Denne deaktivering via phosphorylering af et protein er et almindeligt motiv i proteinregulering og viser, hvordan relativt små ændringer i proteinstruktur kan have biologisk signifikante virkninger på proteinfunktionen.

Funktion og regulering

Hsp70 -systemet interagerer med udvidede peptidsegmenter af proteiner såvel som delvist foldede proteiner for at forårsage sammenlægning af proteiner i nøgleveje til at nedregulere aktivitet. Når den ikke interagerer med et substratpeptid, er Hsp70 normalt i en ATP -bundet tilstand. Hsp70 i sig selv er kendetegnet ved en meget svag ATPase -aktivitet, således at spontan hydrolyse ikke vil forekomme i mange minutter. Efterhånden som nyligt syntetiserede proteiner dukker op fra ribosomerne , genkender substratbindingsdomænet for Hsp70 sekvenser af hydrofobe aminosyrerester og interagerer med dem. Denne spontane interaktion er reversibel, og i ATP -bundet tilstand kan Hsp70 relativt frit binde og frigive peptider . Tilstedeværelsen af ​​et peptid i bindingsdomænet stimulerer imidlertid ATPase -aktiviteten af ​​Hsp70, hvilket øger dets normalt langsomme hastighed for ATP -hydrolyse. Når ATP hydrolyseres til ADP, lukkes bindingslommen til Hsp70 og binder den nu fangede peptidkæde tæt. Yderligere fart på ATP-hydrolyse er de såkaldte J-domæne cochaperones: primært Hsp40 i eukaryoter og DnaJ i prokaryoter . Disse cochaperoner øger dramatisk ATPase -aktiviteten af ​​Hsp70 i nærvær af interagerende peptider.

Funktionen af ​​Hsp70 i både (gen) foldning og nedbrydning af fejlfoldet klientprotein. (a) Skematisk af Hsp70 ATP - ADP -cyklus til (gen) foldning af klientprotein, der forårsager en konformationel ændring af chaperonen, ATP -hydrolyse og udveksling. (b) Hsp70 -CHIP -kompleks, der fremmer klientprotein -ubiquitination og proteasomal nedbrydning. CHIP interagerer med TPR -domænet for Hsp70 og fungerer som en ubiquitinligase for klienter. CHIP, chromatinimmunudfældning; Hsp70, varmechokprotein 70 kDa; TPR, tetratricopeptide -repeat domæne

Ved at binde tæt til delvist syntetiserede peptidsekvenser (ufuldstændige proteiner) forhindrer Hsp70 dem i at aggregeres og blive gjort ikke -funktionelle. Når hele proteinet er syntetiseret, stimulerer en nukleotidudvekslingsfaktor (prokaryot GrpE , eukaryot BAG1 og HspBP1 blandt dem, der er blevet identificeret) frigivelsen af ​​ADP og binding af frisk ATP, hvilket åbner bindingslommen. Proteinet kan derefter foldes alene eller overføres til andre chaperoner til yderligere behandling. HOP ( H sp70/Hsp90 O rganizing P rotein ) kan binde til både Hsp70 og Hsp90 på samme tid og formidler overførsel af peptider fra Hsp70 til Hsp90.

Hsp70 hjælper også til transmembran transport af proteiner ved at stabilisere dem i en delvist foldet tilstand. Det er også kendt at være phosphoryleret, hvilket regulerer flere af dets funktioner.

Hsp70 -proteiner kan virke for at beskytte celler mod termisk eller oxidativ stress. Disse spændinger virker normalt for at beskadige proteiner, hvilket forårsager delvis udfoldelse og mulig aggregering. Ved midlertidigt at binde sig til hydrofobe rester, der udsættes for stress, forhindrer Hsp70, at disse delvist denaturerede proteiner aggregerer og forhindrer dem i at genfoldes. Lav ATP er karakteristisk for varmechok, og vedvarende binding ses som aggregationsundertrykkelse, mens genopretning fra varmechok involverer substratbinding og nukleotidcykling. I en termofil anaerobe ( Thermotoga maritima ) demonstrerer Hsp70 redoxfølsom binding til modelpeptider, hvilket tyder på en anden bindingsregulering baseret på oxidativ stress.

Hsp70 ser ud til at kunne deltage i bortskaffelse af beskadigede eller defekte proteiner. Interaktion med CHIP ( C arboxylterminal af H sp70 I interagerende P rotein ) –en E3 ubiquitin ligase- tillader Hsp70 at passere proteiner til cellens ubiquitination og proteolyseveje .

Endelig hæmmer Hsp70 ud over at forbedre den samlede proteinintegritet apoptose direkte . Et kendetegn ved apoptose er frigivelsen af cytochrom c , som derefter rekrutterer Apaf-1 og dATP/ATP til et apoptosomkompleks . Dette kompleks spalter derefter procaspase-9, aktiverer caspase-9 og til sidst inducerer apoptose via caspase 3- aktivering. Hsp70 hæmmer denne proces ved at blokere rekrutteringen af ​​procaspase-9 til Apaf-1/dATP/cytochrom c apoptosom-komplekset. Det binder ikke direkte til procaspase-9 bindingsstedet, men inducerer sandsynligvis en konformationsændring, der gør procaspase-9 binding mindre gunstig. Det er vist, at Hsp70 interagerer med endoplasmatisk reticulum stresssensorprotein IRE1alpha og derved beskytter cellerne mod ER -stressinduceret apoptose. Denne interaktion forlængede splejsning af XBP-1 mRNA og derved fremkalder transkriptionel opregulering af mål for splejset XBP-1 som EDEM1, ERdj4 og P58IPK, der redder cellerne fra apoptose. Andre undersøgelser tyder på, at Hsp70 kan spille en anti-apoptotisk rolle ved andre trin, men ikke er involveret i Fas-ligand-medieret apoptose (selvom Hsp 27 er). Derfor gemmer Hsp70 ikke kun vigtige komponenter i cellen (proteinerne), men gemmer også cellen som helhed direkte. I betragtning af at stress-respons proteiner (som Hsp70) udviklede sig før apoptotisk maskineri, giver Hsp70s direkte rolle i at hæmme apoptose et interessant evolutionært billede af, hvordan nyere (apoptotisk) maskiner rummede tidligere maskiner (Hsps), og dermed tilpassede den forbedrede integritet af en celles proteiner med de forbedrede chancer for den pågældende celles overlevelse.

Kræft

Hsp70 er overudtrykt i malignt melanom og underudtrykt ved nyre -cellecancer . I brystkræftcellelinje (MCF7) er det fundet, at ikke kun Hsp90 interagerede med østrogenreceptor alfa (ERα), men også Hsp70-1 og Hsc70 interagerede med ERα også.

I betragtning af rollen som varmechokproteiner som et gammelt forsvarssystem til stabilisering af celler og eliminering af gamle og beskadigede celler, er dette system blevet koopereret af kræftceller for at fremme deres vækst. Højere Hsp70 har især vist sig at hæmme apoptose af kræftceller, og øget Hsp70 har vist sig at være forbundet med eller direkte fremkalde endometrial, lunge, tyktarm, prostata og brystkræft samt leukæmi. Hsp70 i kræftceller kan være ansvarlig for tumorigenese og tumorprogression ved at yde resistens over for kemoterapi. Inhibering af Hsp70 har vist sig at reducere størrelsen på tumorer og kan forårsage deres fuldstændige regression. Hsp70/Hsp90 er et særligt attraktivt mål for terapeutiske midler, fordi det reguleres af hæmning af dets ATPase -aktivitet, mens andre HSP'er reguleres af nukleotider. Flere hæmmere er designet til Hsp70, der i øjeblikket er i kliniske forsøg, men fra nu af har HSP90 -hæmmere været mere succesrige. Derudover har Hsp70 vist sig at være en regulator af immunsystemet, der aktiverer immunsystemet som et antigen. Således er tumor-afledt Hsp70 blevet foreslået som en potentiel vaccine eller metode til målretning mod immunterapi. I betragtning af det øgede udtryk for Hsp70 i kræft, er det blevet foreslået som en biomarkør for kræftprognoser, med høje niveauer, der viser dårlig prognose.

Udtryk i hudvæv

Både Hsp70 og HSP47 viste sig at blive udtrykt i dermis og epidermis efter laserbestråling , og de rumlige og tidsmæssige ændringer i HSP-ekspressionsmønstre definerer den laserinducerede termiske skadezone og helingsprocessen i væv. Hsp70 kan biokemisk definere den termiske skadezone, i hvilken celler er målrettet mod ødelæggelse, og HSP47 kan illustrere processen med genopretning fra termisk induceret skade.

Neurodegeneration

Inhibering af Hsp90 fører til opregulering af Hsp70 og Hsp40, som kan kanalisere fejlfoldet protein til nedbrydning af proteasom, hvilket potentielt kan hæmme udviklingen af ​​neurodegenerative sygdomme. For eksempel førte Hsp70-overekspression i humane neurogliomceller transficeret med mutant alfa-synuclein til 50% mindre oligomere alfa-synuclein-arter, hvilket pegede mod muligheden for at øge dets ekspression kunne reducere spredningen af ​​Parkinsons sygdom. Tilsvarende undertrykte Hsp70-overekspression poly-Q-afhængig aggregation og neurodegeneration i cellekulturer, gær-, fluemodeller og musemodeller, og sletning af hsp70 øgede størrelsen af ​​polyQ-inklusionslegemer, hvilket tyder på, at øget ekspression kunne bidrage til at forhindre Huntingtons sygdom. Tilsvarende er reduktioner i Hsp70 blevet vist i transgene musemodeller af ALS og patienter med sporadisk ALS. Endelig er øget ekspression eller aktivitet af Hsp70 blevet foreslået som en metode til at forhindre progression af Alzheimers sygdom, fordi knock-down af Hsp70 fremmede A-beta-toksicitet, og Hsp70 viste sig at fremme tau-stabilitet, mens Hsp70-niveauer er faldet i tauopatier som Alzheimers sygdom. I betragtning af det komplekse samspil mellem de forskellige chaperonproteiner er terapeutisk udvikling på dette område rettet mod at undersøge, hvordan chaperonnetværket som helhed kan manipuleres og effekten af ​​denne manipulation på udviklingen af ​​neurodegenerativ sygdom, men balancen mellem Hsp70 og Hsp90 niveauer synes at være central i denne patofysiologi.

Familie medlemmer

Prokaryoter udtrykker tre Hsp70 -proteiner: DnaK , HscA (Hsc66) og HscC (Hsc62) .

Eukaryote organismer udtrykker flere lidt forskellige Hsp70 -proteiner. Alle deler den fælles domænestruktur, men hver har et unikt udtryksmønster eller subcellulær lokalisering. Disse er blandt andet:

• Hsc70 (Hsp73/HSPA8) er et konstitutivt udtrykt chaperonprotein. Det udgør typisk en til tre procent af det samlede cellulære protein.
• Hsp70 (kodet af tre meget nært beslægtede paraloger: HSPA1A , HSPA1B og HSPA1L ) er et stressinduceret protein. Høje niveauer kan produceres af celler som reaktion på hypertermi, oxidativ stress og ændringer i pH .
• Bindende immunglobulinprotein ( BiP eller Grp78 ) er et protein lokaliseret til det endoplasmatiske retikulum . Det er involveret i proteinfoldning der og kan opreguleres som reaktion på stress eller sult.
• mtHsp70 eller Grp75 er mitokondrie Hsp70.

Følgende er en liste over humane Hsp70 -gener og deres tilsvarende proteiner:

Hsps 90 og 110

Hsp90'er er afgørende for ombygning af proteiner, svarende til Hsp70 -proteiner, og spiller en særlig vigtig rolle i eukaryoter, hvor det er blevet foreslået, at Hsp90 interagerer med DnaK -systemet (sammensat af DnaK, GrpE og enten DnaJ eller CbpA) for at lette processen af ombygning af proteiner. I E. coli arbejder Hsp90s i samarbejde med Hsp70'er for at lette ombygning og aktivering af proteiner. Hsp90Ec og DnaK er chaperoner af henholdsvis Hsp90 og Hsp70. DnaK binder og stabiliserer i første omgang det fejlfoldede protein, før det arbejder i samarbejde med Hsp90Ec for at genfolde dette substrat og forårsage dets aktivering. I betragtning af betingelser for overskydende DnaK har denne chaperon vist sig at hæmme omdannelse af proteiner. Tilstedeværelsen af ​​Hsp90Ec kan imidlertid afbøde denne effekt og muliggøre ombygning af proteiner på trods af betingelser med overskydende DnaK.

Hsp70 -superfamilien omfatter også en familie af Hsp110 / Grp170 (Sse) proteiner, som er større proteiner relateret til Hsp70. Hsp110 -familien af ​​proteiner har divergerende funktioner: gær Sse1p har lille ATPase -aktivitet, men er en chaperon alene og en nukleotidudvekslingsfaktor for Hsp70, mens den nært beslægtede Sse2p har lille udfoldelsesaktivitet.

Det følgende er en liste over i øjeblikket navngivne humane HSP110 -gener. HSPH2-4 er foreslåede navne, og det nuværende navn er knyttet:

Se også

• Heat shock protein 70 (Hsp70) intern ribosomindgangssted (IRES)

Referencer

eksterne links

• HSP70+varmechok+proteiner på US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)