Hsp70 - Hsp70

Hsp70-Protein
Struktur des ATPase-Fragments eines verwandten 70K-Hitzeschockproteins.
Bezeichner
Symbol	HSP70
Pfam	PF00012
Pfam- Clan	CL0108
InterPro	IPR013126
PROSITE	PDOC00269
SCOP2	3hsc / Scope / SUPFAM
Verfügbare Proteinstrukturen: Pfam   Strukturen / ECOD   PDB RCSB-PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum Strukturzusammenfassung

Die 70 Kilodalton Hitzeschockproteine ( Hsp70 s oder DnaK ) sind eine Familie von konservierten ubiquitär exprimierten Hitzeschockproteinen . Proteine ​​mit ähnlicher Struktur existieren in praktisch allen lebenden Organismen. Intrazellulär lokalisierte Hsp70s sind ein wichtiger Teil der Maschinerie der Zelle für die Proteinfaltung , erfüllen Begleitfunktionen und helfen, Zellen vor den negativen Auswirkungen von physiologischem Stress zu schützen. Darüber hinaus wurden membrangebundene Hsp70s als potenzielles Ziel für Krebstherapien identifiziert und ihre extrazellulär lokalisierten Gegenstücke wurden als membrangebundene und membranfreie Strukturen identifiziert.

Entdeckung

Mitglieder der Hsp70-Familie werden durch Hitzestress und giftige Chemikalien, insbesondere Schwermetalle wie Arsen, Cadmium, Kupfer, Quecksilber usw., sehr stark hochreguliert . Der Hitzeschock wurde ursprünglich von Ferruccio Ritossa in den 1960er Jahren entdeckt, als ein Labormitarbeiter versehentlich die Inkubation beschleunigte Temperatur von Drosophila (Fruchtfliegen). Bei der Untersuchung der Chromosomen fand Ritossa ein „Puffing-Muster“, das auf die erhöhte Gentranskription eines unbekannten Proteins hindeutete. Dies wurde später als "Hitzeschockreaktion" beschrieben und die Proteine ​​wurden als "Hitzeschockproteine" (Hsps) bezeichnet.

Struktur

(a) Die schematischen Domänen von Hsp70s. Die Hsp70s bestehen aus zwei hochkonservierten funktionellen Domänen, einschließlich einer NBD und einer C‐terminalen Substratbindungsdomäne (SBD), ebenfalls ein EEVD‐Motiv am C‐Terminus. Die NBD enthält die ATP/ADP‐Tasche, die bindet und Die SBD enthält eine Substratbindungstasche, die mit ausgedehnten Polypeptiden als Substrat interagiert, eine α‐helikale Subdomäne von der C‐terminalen Seite von SBD bildet einen flexiblen Deckel. Das EEVD‐Motiv ist an der Bindung an Co‐Chaperone und andere HSPs beteiligt. (b) die vollständige Aminosäuresequenz von humanem Hsp70 (UniProtKB-Kennung: P0DMV8) als wichtigstes stressinduzierbares Mitglied der Hsp70‐Familie. (c) Sekundärstrukturen von Hsp70, virtualisiert unter Verwendung der Software VMD 1.9.1. Hsp70, Hitzeschockprotein 70 kDa; NBD, N‐terminale Nukleotidbindungsdomäne; SBD, Substratbindungsdomäne am C‐Terminus.

Die Hsp70-Proteine ​​haben drei funktionelle Hauptdomänen :

• N-terminale ATPase- Domäne – bindet ATP ( Adenosintriphosphat ) und hydrolysiert es zu ADP ( Adenosindiphosphat ). Die NBD (Nukleotid-Bindungsdomäne) besteht aus zwei Lappen mit einer tiefen Spalte dazwischen, an deren Unterseite Nukleotid (ATP und ADP) bindet. Der Austausch von ATP und ADP führt zu Konformationsänderungen in den anderen beiden Domänen.
• Substratbindungsdomäne – besteht aus einer 15 kDa β-Faltblatt-Subdomäne und einer 10 kDa helikalen Subdomäne. Die β-Faltblatt-Subdomäne besteht aus gestrandeten β-Faltblättern mit nach oben ragenden Schleifen, wie ein typisches β-Fass , die das Peptidrückgrat des Substrats umschließen. SBD enthält eine Furche mit einer Affinität zu neutralen, hydrophoben Aminosäureresten . Die Furche ist lang genug, um mit Peptiden mit einer Länge von bis zu sieben Resten zu interagieren.
• C-terminale Domäne – reich an Alpha-Helix-Struktur, fungiert als „Deckel“ für die Substratbindungsdomäne. Die helikale Subdomäne besteht aus fünf Helices, wobei zwei Helices an zwei Seiten der β-Faltblatt-Subdomäne gepackt sind und die innere Struktur stabilisieren. Außerdem bildet eine der Helix eine Salzbrücke und mehrere Wasserstoffbrücken zu den äußeren Loops, wodurch die Substratbindungstasche wie ein Deckel verschlossen wird. Drei Helices in dieser Domäne bilden einen weiteren hydrophoben Kern, der eine Stabilisierung des "Deckels" darstellen kann. Wenn ein Hsp70-Protein an ATP gebunden ist, ist der Deckel geöffnet und Peptide binden und werden relativ schnell freigesetzt. Wenn Hsp70-Proteine ​​an ADP gebunden sind, wird der Deckel geschlossen und Peptide werden fest an die Substratbindungsdomäne gebunden.

Phosphorylierung isolierter Serinreste durch Proteinkinase.

Die Proteinphosphorylierung, eine posttranslationale Modifikation, hilft bei der Regulierung der Proteinfunktion und beinhaltet die Phosphorylierung von Aminosäuren mit Hydroxylgruppen in ihren Seitenketten (bei Eukaryoten). Serin-, Threonin- und Tyrosin-Aminosäuren sind häufige Ziele der Phosphorylierung. Die Phosphorylierung von Hsp70 ist in der wissenschaftlichen Literatur vor relativ kurzer Zeit zu einem Gegenstand intensiverer Forschung geworden. Eine Veröffentlichung aus dem Jahr 2020 legt nahe, dass die Phosphorylierung eines Serinrests zwischen der NBD und der Substratbindungsdomäne in Hefe-Hsp70s zu einer dramatischen Verringerung der normalen Hsp70-Hitzeschockreaktion führt. Diese Deaktivierung durch Phosphorylierung eines Proteins ist ein häufiges Motiv bei der Proteinregulation und zeigt, wie relativ kleine Veränderungen der Proteinstruktur biologisch signifikante Auswirkungen auf die Proteinfunktion haben können.

Funktion und Regulierung

Das Hsp70-System interagiert mit verlängerten Peptidsegmenten von Proteinen sowie mit teilweise gefalteten Proteinen, um eine Aggregation von Proteinen in Schlüsselwegen zur Herunterregulierung der Aktivität zu bewirken. Wenn Hsp70 nicht mit einem Substratpeptid interagiert, befindet es sich normalerweise in einem ATP-gebundenen Zustand. Hsp70 selbst ist durch eine sehr schwache ATPase- Aktivität gekennzeichnet, so dass für viele Minuten keine spontane Hydrolyse auftritt. Wenn neu synthetisierte Proteine ​​aus den Ribosomen hervorgehen , erkennt die Substratbindungsdomäne von Hsp70 Sequenzen von hydrophoben Aminosäureresten und interagiert mit ihnen. Diese spontane Wechselwirkung ist reversibel, und im ATP-gebundenen Zustand kann Hsp70 relativ frei Peptide binden und freisetzen . Die Anwesenheit eines Peptids in der Bindungsdomäne stimuliert jedoch die ATPase-Aktivität von Hsp70, wodurch seine normalerweise langsame Geschwindigkeit der ATP-Hydrolyse erhöht wird. Wenn ATP zu ADP hydrolysiert wird, schließt sich die Bindungstasche von Hsp70 und bindet die nun eingefangene Peptidkette fest. Eine weitere Beschleunigung der ATP-Hydrolyse sind die sogenannten J-Domänen-Cochaperone: hauptsächlich Hsp40 in Eukaryoten und DnaJ in Prokaryoten . Diese Cochaperone erhöhen die ATPase-Aktivität von Hsp70 in Gegenwart wechselwirkender Peptide dramatisch.

Die Funktion von Hsp70 sowohl bei der (Um-)Faltung als auch beim Abbau von fehlgefalteten Client-Proteinen. (a) Schema des Hsp70-ATP-ADP-Zyklus für die (Rück-)Faltung des Client-Proteins, der eine Konformationsänderung des Chaperons, ATP-Hydrolyse und -Austausch bewirkt. (b) Hsp70-CHIP-Komplex, der die Ubiquitinierung von Clientproteinen und den proteasomalen Abbau fördert. CHIP interagiert mit der TPR-Domäne von Hsp70 und fungiert als Ubiquitin-Ligase für Kunden. CHIP, Chromatin-Immunpräzipitation; Hsp70, Hitzeschockprotein 70 kDa; TPR, Tetratricopeptid‐Repeat‐Domäne

Durch festes Binden an teilweise synthetisierte Peptidsequenzen (unvollständige Proteine) verhindert Hsp70, dass diese aggregieren und funktionsunfähig werden. Sobald das gesamte Protein synthetisiert ist, stimuliert ein Nukleotidaustauschfaktor (prokaryotisches GrpE , eukaryotisches BAG1 und HspBP1 sind unter denen, die identifiziert wurden) die Freisetzung von ADP und die Bindung von frischem ATP, wodurch die Bindungstasche geöffnet wird. Das Protein kann sich dann selbst falten oder zur weiteren Verarbeitung auf andere Chaperone übertragen werden. HOP (die H SP70 / Hsp90 O rganizing P rotein) beide an Hsp70 und Hsp90 zur gleichen Zeit, und vermittelt den Transfer von Peptiden , die von Hsp70 zu Hsp90 binden kann.

Hsp70 hilft auch beim Transmembrantransport von Proteinen, indem es sie in einem teilweise gefalteten Zustand stabilisiert. Es ist auch bekannt, dass es phosphoryliert ist, was mehrere seiner Funktionen reguliert.

Hsp70-Proteine ​​können Zellen vor thermischem oder oxidativem Stress schützen. Diese Belastungen wirken normalerweise dahingehend, Proteine ​​zu schädigen, was zu einer teilweisen Entfaltung und möglichen Aggregation führt. Durch vorübergehende Bindung an hydrophobe Reste, die Stress ausgesetzt sind, verhindert Hsp70 die Aggregation dieser teilweise denaturierten Proteine ​​und verhindert ihre Rückfaltung. Niedriges ATP ist charakteristisch für Hitzeschock und anhaltende Bindung wird als Aggregationsunterdrückung angesehen, während die Erholung von Hitzeschock Substratbindung und Nukleotidzyklus beinhaltet. In einem thermophilen Anaerobier ( Thermotoga maritima ) zeigt Hsp70 eine redoxsensitive Bindung an Modellpeptide, was einen zweiten Modus der Bindungsregulation basierend auf oxidativem Stress nahelegt.

Hsp70 scheint an der Entsorgung beschädigter oder defekter Proteine ​​beteiligt zu sein. Interaktion mit CHIP ( C arboxyl-Terminus von H SP70 I nteracting P rotein) -an E3 Ubiquitin - Ligase -Ermöglicht Hsp70 - Proteine der Zelle passieren Ubiquitinierung und Proteolyse Wege.

Schließlich hemmt Hsp70 zusätzlich zur Verbesserung der Gesamtproteinintegrität direkt die Apoptose . Ein Kennzeichen der Apoptose ist die Freisetzung von Cytochrom c , das dann Apaf-1 und dATP/ATP zu einem Apoptosomenkomplex rekrutiert . Dieser Komplex spaltet dann Procaspase-9, aktiviert Caspase-9 und induziert schließlich Apoptose über die Caspase-3- Aktivierung. Hsp70 hemmt diesen Prozess, indem es die Rekrutierung von Procaspase-9 zum Apaf-1/dATP/Cytochrom-c-Apoptosom-Komplex blockiert. Es bindet nicht direkt an die Procaspase-9-Bindungsstelle, induziert jedoch wahrscheinlich eine Konformationsänderung, die die Procaspase-9-Bindung weniger günstig macht. Es wurde gezeigt, dass Hsp70 mit dem endoplasmatischen Retikulum- Stresssensorprotein IRE1alpha interagiert und dadurch die Zellen vor ER-Stress-induzierter Apoptose schützt. Diese Interaktion verlängerte das Spleißen von XBP-1-mRNA, wodurch eine transkriptionelle Hochregulierung von Zielen von gespleißtem XBP-1 wie EDEM1, ERdj4 und P58IPK induziert wurde, wodurch die Zellen vor der Apoptose bewahrt wurden. Andere Studien legen nahe, dass Hsp70 bei anderen Schritten eine anti-apoptotische Rolle spielen könnte, jedoch nicht an der Fas-Liganden-vermittelten Apoptose beteiligt ist (obwohl Hsp 27 dies ist). Daher rettet Hsp70 nicht nur wichtige Bestandteile der Zelle (die Proteine), sondern rettet direkt die Zelle als Ganzes. Wenn man bedenkt, dass sich Stress-Reaktions-Proteine ​​(wie Hsp70) vor der apoptotischen Maschinerie entwickelt haben, liefert die direkte Rolle von Hsp70 bei der Hemmung der Apoptose ein interessantes evolutionäres Bild davon, wie neuere (apoptotische) Maschinen frühere Maschinen (Hsps) aufgenommen haben und so die verbesserte Integrität der Proteine ​​einer Zelle in Einklang bringen mit den verbesserten Überlebenschancen dieser bestimmten Zelle.

Krebs

Hsp70 wird beim malignen Melanom überexprimiert und beim Nierenzellkrebs unterexprimiert . In der Brustkrebszelllinie (MCF7) wurde festgestellt, dass nicht nur Hsp90 mit dem Östrogenrezeptor alpha (ERα), sondern auch Hsp70-1 und Hsc70 mit ERα interagierten.

Angesichts der Rolle von Hitzeschockproteinen als uraltes Abwehrsystem zur Stabilisierung von Zellen und zur Beseitigung alter und beschädigter Zellen wurde dieses System von Krebszellen kooptiert, um ihr Wachstum zu fördern. Es wurde gezeigt, dass insbesondere erhöhtes Hsp70 die Apoptose von Krebszellen hemmt, und erhöhtes Hsp70 wurde mit Endometrium-, Lungen-, Dickdarm-, Prostata- und Brustkrebs sowie Leukämie assoziiert oder direkt induziert. Hsp70 in Krebszellen kann für die Tumorentstehung und Tumorprogression verantwortlich sein, indem es Resistenz gegen Chemotherapie bereitstellt. Es wurde gezeigt, dass die Hemmung von Hsp70 die Größe von Tumoren verringert und zu ihrer vollständigen Regression führen kann. Hsp70/Hsp90 ist ein besonders attraktives Ziel für Therapeutika, da es durch die Hemmung seiner ATPase-Aktivität reguliert wird, während andere HSPs durch Nukleotide reguliert werden. Für Hsp70 wurden mehrere Inhibitoren entwickelt, die sich derzeit in klinischen Studien befinden, obwohl HSP90-Inhibitoren bisher erfolgreicher waren. Darüber hinaus hat sich Hsp70 als Regulator des Immunsystems erwiesen, das als Antigen das Immunsystem aktiviert. Daher wurde aus Tumoren stammendes Hsp70 als potentieller Impfstoff oder als Ziel für eine Immuntherapie vorgeschlagen. Angesichts der erhöhten Expression von Hsp70 in Krebs wurde es als Biomarker für die Krebsprognose vorgeschlagen, wobei hohe Spiegel eine schlechte Prognose bedeuten.

Expression im Hautgewebe

Sowohl Hsp70 als auch HSP47 wurden nach Laserbestrahlung in Dermis und Epidermis exprimiert , und die räumlichen und zeitlichen Veränderungen der HSP-Expressionsmuster definieren die laserinduzierte thermische Schädigungszone und den Heilungsprozess im Gewebe. Hsp70 kann biochemisch die thermische Schädigungszone definieren, in der Zellen zerstört werden sollen, und HSP47 kann den Erholungsprozess von thermisch induzierter Schädigung veranschaulichen.

Neurodegeneration

Die Hemmung von Hsp90 führt zu einer Hochregulierung von Hsp70 und Hsp40, die fehlgefaltetes Protein für den Proteasomabbau kanalisieren kann, was möglicherweise das Fortschreiten neurodegenerativer Erkrankungen hemmen kann. Beispielsweise führte die Überexpression von Hsp70 in menschlichen Neurogliomzellen, die mit mutiertem Alpha-Synuclein transfiziert wurden, zu 50% weniger oligomeren Alpha-Synuclein-Spezies, was auf die Möglichkeit hindeutet, dass eine Erhöhung seiner Expression die Ausbreitung der Parkinson-Krankheit verringern könnte. In ähnlicher Weise unterdrückte die Hsp70-Überexpression die poly-Q-abhängige Aggregation und Neurodegeneration in Zellkulturen, Hefe-, Fliegen- und Mausmodellen, und die Deletion von hsp70 erhöhte die Größe der polyQ-Einschlusskörperchen, was darauf hindeutet, dass eine Erhöhung seiner Expression dazu beitragen könnte, die Huntington-Krankheit zu verhindern. In ähnlicher Weise wurde eine Verringerung von Hsp70 in transgenen Mausmodellen von ALS und Patienten mit sporadischer ALS gezeigt. Schließlich wurde eine erhöhte Expression oder Aktivität von Hsp70 als Methode zur Verhinderung des Fortschreitens der Alzheimer-Krankheit vorgeschlagen, da ein Knockdown von Hsp70 die A-beta-Toxizität fördert und Hsp70 nachweislich die Tau-Stabilität fördert, während die Hsp70-Spiegel bei Tauopathien wie Alzheimer-Krankheit. Angesichts des komplexen Zusammenspiels der verschiedenen Chaperon-Proteine ​​zielt die therapeutische Entwicklung auf diesem Gebiet darauf ab, wie das Chaperon-Netzwerk insgesamt manipuliert werden kann und wie sich diese Manipulation auf das Fortschreiten der neurodegenerativen Erkrankung auswirkt, aber das Gleichgewicht der Hsp70- und Hsp90-Spiegel scheint in dieser Pathophysiologie von zentraler Bedeutung zu sein.

Familienmitglieder

Prokaryoten exprimieren drei Hsp70-Proteine: DnaK , HscA (Hsc66) und HscC (Hsc62) .

Eukaryontische Organismen exprimieren mehrere leicht unterschiedliche Hsp70-Proteine. Alle teilen die gemeinsame Domänenstruktur, aber jeder hat ein einzigartiges Expressionsmuster oder eine subzelluläre Lokalisation. Dies sind unter anderem:

• Hsc70 (Hsp73/HSPA8) ist ein konstitutiv exprimiertes Chaperonprotein. Es macht typischerweise ein bis drei Prozent des gesamten zellulären Proteins aus.
• Hsp70 (kodiert durch drei sehr eng verwandte Paraloge: HSPA1A , HSPA1B und HSPA1L ) ist ein stressinduziertes Protein. Hohe Spiegel können von Zellen als Reaktion auf Hyperthermie, oxidativen Stress und pH- Änderungen produziert werden .
• Bindendes Immunglobulinprotein ( BiP oder Grp78 ) ist ein Protein, das im endoplasmatischen Retikulum lokalisiert ist . Es ist dort an der Proteinfaltung beteiligt und kann als Reaktion auf Stress oder Hunger hochreguliert werden.
• mtHsp70 oder Grp75 ist das mitochondriale Hsp70.

Im Folgenden finden Sie eine Liste der menschlichen Hsp70-Gene und ihrer entsprechenden Proteine:

Hsps 90 und 110

Hsp90s sind, ähnlich wie Hsp70-Proteine, für den Proteinumbau essentiell und spielen eine besonders wichtige Rolle in Eukaryoten, wo vermutet wurde, dass Hsp90 mit dem DnaK-System (bestehend aus DnaK, GrpE und entweder DnaJ oder CbpA) interagiert, um den Prozess zu erleichtern des Proteinumbaus. In E. coli arbeiten Hsp90s mit Hsp70s zusammen, um die Proteinremodellierung und -aktivierung zu erleichtern. Hsp90Ec und DnaK sind Chaperone von Hsp90 bzw. Hsp70. DnaK bindet und stabilisiert zunächst das fehlgefaltete Protein, bevor es mit Hsp90Ec zusammenarbeitet, um dieses Substrat neu zu falten und seine Aktivierung zu bewirken. Es wurde gefunden, dass dieses Chaperon unter Bedingungen von überschüssigem DnaK den Umbau von Proteinen hemmt. Allerdings kann die Anwesenheit von Hsp90Ec diesen Effekt abschwächen und trotz Bedingungen eines Überschusses an DnaK einen Proteinumbau ermöglichen.

Die Hsp70-Superfamilie umfasst auch eine Familie von Hsp110 / Grp170 (Sse)-Proteinen, die größere Proteine ​​sind, die mit Hsp70 verwandt sind. Die Hsp110-Proteinfamilie hat unterschiedliche Funktionen: Hefe-Sse1p hat eine geringe ATPase-Aktivität, ist aber ein eigenständiges Chaperon sowie ein Nukleotidaustauschfaktor für Hsp70, während das eng verwandte Sse2p eine geringe Unfoldase-Aktivität aufweist.

Das Folgende ist eine Liste der derzeit benannten menschlichen HSP110-Gene. HSPH2-4 sind vorgeschlagene Namen und der aktuelle Name ist verlinkt:

Siehe auch

• Hitzeschockprotein 70 (Hsp70) interne Ribosomeneintrittsstelle (IRES)

Verweise

Externe Links

• HSP70+Hitzeschock+Proteine der US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)