Hsp70 - Hsp70

Białko Hsp70
Struktura fragmentu ATPazy pokrewnego białka szoku cieplnego 70K.
Identyfikatory
Symbol	HSP70
Pfam	PF00012
Klan Pfam	CL0108
InterPro	IPR013126
PROSITE	PDOC00269
SCOP2	3hsc / zakres / SUPFAM
Dostępne struktury białkowe: Pfam   konstrukcje / ECOD   WPB WPB RCSB ; PDBe ; PDBj PDBsum podsumowanie struktury

Te białka szoku cieplnego 70 kDa ( Hsp70 S lub DnaK ) to rodzina z konserwowanych powszechnie wyrażanych białek szoku cieplnego . Białka o podobnej strukturze występują praktycznie we wszystkich żywych organizmach. Zlokalizowane wewnątrzkomórkowo Hsp70 są ważną częścią mechanizmu komórkowego odpowiedzialnego za fałdowanie białek , pełnią funkcje opiekuńcze i pomagają chronić komórki przed niekorzystnymi skutkami stresów fizjologicznych. Dodatkowo, Hsp70 związane z błoną zidentyfikowano jako potencjalny cel terapii przeciwnowotworowych, a ich odpowiedniki zlokalizowane pozakomórkowo zidentyfikowano jako posiadające zarówno struktury związane z błoną, jak i pozbawione błony.

Odkrycie

Członkowie rodziny Hsp70 są bardzo silnie poddawani stresowi cieplnemu i toksycznym chemikaliom, szczególnie metalom ciężkim, takim jak arsen, kadm, miedź, rtęć itp. Szok cieplny został pierwotnie odkryty przez Ferruccio Ritossę w latach 60. XX wieku, kiedy pracownik laboratorium przypadkowo przyspieszył inkubację temperatura Drosophila (muchy owocowe). Podczas badania chromosomów Ritossa znalazła „wzór zadymania”, który wskazywał na podwyższoną transkrypcję genu nieznanego białka. Zostało to później opisane jako „odpowiedź szoku cieplnego”, a białka nazwano „białkami szoku cieplnego” (Hsps).

Struktura

(a) Domeny schematyczne Hsp70s. Hsp70 składają się z dwóch wysoce konserwatywnych domen funkcjonalnych, w tym NBD i C-końcowej domeny wiążącej substrat (SBD), również motywu EEVD na C-końcu. NBD zawiera kieszonkę ATP/ADP, która wiąże, a SBD zawiera kieszonkę wiążącą substrat, która jako substrat oddziałuje z rozszerzonymi polipeptydami, subdomena α-helikalna od strony C-końcowej SBD tworzy elastyczną pokrywę. Motyw EEVD uczestniczy w wiązaniu się z osobami współopiekuńczymi i innymi HSP. (b) pełną sekwencję aminokwasową ludzkiego Hsp70 (identyfikator UniProtKB: P0DMV8) jako głównego indukowanego stresem członka rodziny Hsp70. (c) Struktury drugorzędowe Hsp70 zwirtualizowane przy użyciu oprogramowania VMD 1.9.1. Hsp70, białko szoku cieplnego 70 kDa; NBD, N-końcowa domena wiążąca nukleotydy; SBD, domena wiążąca substrat na C-końcu.

Białka Hsp70 mają trzy główne domeny funkcjonalne :

• N-końcowa domena ATPazy – wiąże ATP ( adenozynotrifosforan ) i hydrolizuje go do ADP ( adenozynodifosforanu ). NBD (domena wiążąca nukleotydy) składa się z dwóch płatów z głęboką szczeliną między nimi, u dołu których wiąże się nukleotyd (ATP i ADP). Wymiana ATP i ADP prowadzi do zmian konformacyjnych w pozostałych dwóch domenach.
• Domena wiążąca substrat – składa się z subdomeny arkusza β o masie 15 kDa i subdomeny helikalnej o masie 10 kDa. Subdomena arkusza β składa się z skręconych arkuszy β z wystającymi ku górze pętlami, jak typowy baryłka β , które otaczają szkielet peptydowy substratu. SBD zawiera rowek z powinowactwem do obojętnych, hydrofobowych reszt aminokwasowych. Rowek jest wystarczająco długi, aby oddziaływać z peptydami o długości do siedmiu reszt.
• Domena C-końcowa – bogata w strukturę alfa helikalną, działa jak „pokrywka” dla domeny wiążącej substrat. Subdomena helikalna składa się z pięciu helis, z dwiema helisami upakowanymi po dwóch stronach subdomeny arkusza β, stabilizując wewnętrzną strukturę. Ponadto jedna ze spiral tworzy mostek solny i kilka wiązań wodorowych z zewnętrznymi pętlami, zamykając w ten sposób kieszeń wiążącą podłoże jak pokrywkę. Trzy helisy w tej domenie tworzą kolejny hydrofobowy rdzeń, który może być stabilizacją „wieczka”. Gdy białko Hsp70 wiąże się z ATP, wieczko jest otwarte, a peptydy wiążą się i uwalniają stosunkowo szybko. Gdy białka Hsp70 są związane z ADP, wieczko jest zamknięte, a peptydy są ściśle związane z domeną wiążącą substrat.

Fosforylacja wyizolowanej reszty seryny przez kinazę białkową.

Fosforylacja białek, modyfikacja potranslacyjna, pomaga regulować funkcję białek i obejmuje fosforylację aminokwasów z grupami hydroksylowymi w ich łańcuchach bocznych (u eukariontów). Aminokwasy seryny, treoniny i tyrozyny są powszechnymi celami fosforylacji. Fosforylacja Hsp70 stała się stosunkowo niedawno przedmiotem większej eksploracji w literaturze naukowej. Publikacja 2020 sugeruje, że fosforylacja reszty seryny między NBD a domeną wiążącą substrat w drożdżowych Hsp70 prowadzi do dramatycznego zmniejszenia normalnej odpowiedzi szoku cieplnego Hsp70. Ta dezaktywacja poprzez fosforylację białka jest powszechnym motywem w regulacji białka i pokazuje, jak stosunkowo niewielkie zmiany w strukturze białka mogą mieć istotny biologicznie wpływ na funkcję białka.

Funkcja i regulacja

System Hsp70 oddziałuje z wydłużonymi segmentami peptydowymi białek, jak również częściowo sfałdowanymi białkami, powodując agregację białek w kluczowych szlakach w celu obniżenia aktywności. Gdy nie oddziałuje z peptydem substratowym, Hsp70 jest zwykle w stanie związanym z ATP. Hsp70 samo w sobie charakteryzuje się bardzo słabą aktywnością ATPazy , tak że samorzutna hydroliza nie wystąpi przez wiele minut. Gdy nowo zsyntetyzowane białka wyłaniają się z rybosomów , domena Hsp70 wiążąca substrat rozpoznaje sekwencje hydrofobowych reszt aminokwasowych i oddziałuje z nimi. Ta spontaniczna interakcja jest odwracalna iw stanie związanym z ATP Hsp70 może stosunkowo swobodnie wiązać i uwalniać peptydy . Jednak obecność peptydu w domenie wiążącej stymuluje aktywność ATPazy w Hsp70, zwiększając jego normalnie wolną szybkość hydrolizy ATP. Gdy ATP jest hydrolizowany do ADP, kieszeń wiążąca Hsp70 zamyka się, ściśle wiążąc uwięziony teraz łańcuch peptydowy. Dalszym przyspieszeniem hydrolizy ATP są tzw. kochaperony z domeny J: głównie Hsp40 u eukariontów i DnaJ u prokariontów . Te kochaperony dramatycznie zwiększają aktywność ATPazy Hsp70 w obecności oddziałujących peptydów.

Funkcja Hsp70 zarówno w (ponownym) fałdowaniu, jak i degradacji nieprawidłowo sfałdowanego białka klienta. (a) Schemat cyklu Hsp70 ATP-ADP dla (ponownego) fałdowania białka klienta, które powoduje zmianę konformacyjną białka opiekuńczego, hydrolizę i wymianę ATP. (b) Kompleks Hsp70-CHIP, który promuje ubikwitynację białek klienta i degradację proteasomów. CHIP oddziałuje z domeną TPR Hsp70 i działa jako ligaza ubikwityny dla klientów. CHIP, immunoprecypitacja chromatyny; Hsp70, białko szoku cieplnego 70 kDa; TPR, tetratrykopeptydowa domena powtórzeniowa

Wiążąc się ściśle z częściowo zsyntetyzowanymi sekwencjami peptydowymi (niekompletnymi białkami), Hsp70 zapobiega ich agregacji i niefunkcjonalności. Po zsyntetyzowaniu całego białka, czynnik wymiany nukleotydów (prokariotyczne GrpE , eukariotyczne BAG1 i HspBP1 należą do tych, które zostały zidentyfikowane) stymuluje uwalnianie ADP i wiązanie świeżego ATP, otwierając kieszeń wiążącą. Białko może następnie samoistnie się fałdować lub może zostać przeniesione do innych białek opiekuńczych w celu dalszego przetwarzania. HOP (The H sp70 / Hsp90 O rganizing P rotein) może wiązać się zarówno z Hsp70 i Hsp90 w tym samym czasie, i pośredniczy transferu peptydów z Hsp70 do Hsp90.

Hsp70 pomaga również w transbłonowym transporcie białek, stabilizując je w stanie częściowo złożonym. Wiadomo również, że jest fosforylowany, co reguluje kilka jego funkcji.

Białka Hsp70 mogą działać w celu ochrony komórek przed stresem termicznym lub oksydacyjnym. Stresy te normalnie działają uszkadzając białka, powodując częściowe rozwinięcie i możliwą agregację. Przez tymczasowe wiązanie z resztami hydrofobowymi wystawionymi na działanie stresu, Hsp70 zapobiega agregacji tych częściowo zdenaturowanych białek i hamuje ich ponowne fałdowanie. Niskie ATP jest charakterystyczne dla szoku cieplnego, a przedłużone wiązanie jest postrzegane jako tłumienie agregacji, podczas gdy powrót do zdrowia po szoku cieplnym obejmuje wiązanie substratu i cykl nukleotydów. W termofilnym beztlenowcu ( Thermotoga maritima ) Hsp70 wykazuje wiązanie wrażliwe na redoks z modelowymi peptydami, co sugeruje drugi tryb regulacji wiązania oparty na stresie oksydacyjnym.

Wydaje się, że Hsp70 może uczestniczyć w usuwaniu uszkodzonych lub wadliwych białek. Interakcja z CHIP ( C arboxyl-końcem H sp70 I nteracting P rotein) -an E3 ligazy ubikwitynowej -allows Hsp70 przejść białek do komórki za ubikwitynacji i proteolizy ścieżek.

Wreszcie, oprócz poprawy ogólnej integralności białka, Hsp70 bezpośrednio hamuje apoptozę . Cechą charakterystyczną apoptozy jest uwalnianie cytochromu c , który następnie rekrutuje Apaf-1 i dATP/ATP do kompleksu apoptosomu . Kompleks ten następnie rozszczepia prokaspazę-9, aktywując kaspazę-9 i ostatecznie indukując apoptozę poprzez aktywację kaspazy 3 . Hsp70 hamuje ten proces poprzez blokowanie rekrutacji prokaspazy-9 do kompleksu apoptosomu Apaf-1/dATP/cytochrom c. Nie wiąże się bezpośrednio z miejscem wiązania prokaspazy-9, ale prawdopodobnie indukuje zmianę konformacyjną, która sprawia, że ​​wiązanie prokaspazy-9 jest mniej korzystne. Wykazano, że Hsp70 oddziałuje z białkiem czujnika stresu retikulum endoplazmatycznego IRE1alfa, chroniąc w ten sposób komórki przed apoptozą indukowaną stresem ER. Ta interakcja przedłużyła splicing mRNA XBP-1, indukując w ten sposób transkrypcyjną regulację w górę celów splicingowego XBP-1, takich jak EDEM1, ERdj4 i P58IPK, ratując komórki przed apoptozą. Inne badania sugerują, że Hsp70 może odgrywać rolę antyapoptotyczną na innych etapach, ale nie jest zaangażowany w apoptozę za pośrednictwem liganda Fas (chociaż tak jest w przypadku Hsp 27). Dlatego Hsp70 nie tylko ratuje ważne składniki komórki (białka), ale także bezpośrednio ratuje komórkę jako całość. Biorąc pod uwagę, że białka odpowiedzi na stres (takie jak Hsp70) wyewoluowały przed maszynerią apoptotyczną, bezpośrednia rola Hsp70 w hamowaniu apoptozy dostarcza interesującego ewolucyjnego obrazu tego, jak nowsza (apoptotyczna) maszyneria przystosowała poprzednią maszynerię (Hsp), wyrównując w ten sposób ulepszoną integralność białek komórki z większymi szansami na przeżycie tej konkretnej komórki.

Nowotwór

Hsp70 ulega nadekspresji w czerniaku złośliwym i niedostatecznej ekspresji w raku nerki . W linii komórkowej raka piersi (MCF7) stwierdzono, że nie tylko Hsp90 oddziaływał z receptorem estrogenowym alfa (ERα), ale także Hsp70-1 i Hsc70 oddziaływały również z ERα.

Biorąc pod uwagę rolę białek szoku cieplnego jako starożytnego systemu obronnego stabilizującego komórki i eliminującego stare i uszkodzone komórki, system ten został dokooptowany przez komórki rakowe w celu promowania ich wzrostu. Wykazano, że w szczególności zwiększone Hsp70 hamuje apoptozę komórek rakowych, a zwiększone Hsp70 jest związane z lub bezpośrednio indukuje raka endometrium, płuc, okrężnicy, prostaty i piersi, jak również białaczkę. Hsp70 w komórkach nowotworowych może być odpowiedzialny za onkogenezę i progresję guza poprzez zapewnienie oporności na chemioterapię. Wykazano, że hamowanie Hsp70 zmniejsza wielkość guzów i może powodować ich całkowitą regresję. Hsp70/Hsp90 jest szczególnie atrakcyjnym celem dla środków terapeutycznych, ponieważ jest regulowany przez hamowanie aktywności ATPazy, podczas gdy inne HSP są regulowane przez nukleotydy. Kilka inhibitorów zostało zaprojektowanych dla Hsp70, które są obecnie w badaniach klinicznych, chociaż obecnie inhibitory HSP90 są bardziej skuteczne. Ponadto wykazano, że Hsp70 jest regulatorem układu odpornościowego, aktywując układ odpornościowy jako antygen. Zatem Hsp70 pochodzące z guza sugerowano jako potencjalną szczepionkę lub drogę do ukierunkowania na immunoterapię. Biorąc pod uwagę zwiększoną ekspresję Hsp70 w raku, sugerowano, że jest to biomarker do prognozowania raka, z wysokimi poziomami zapowiadającymi złe rokowanie.

Ekspresja w tkance skóry

Wykazano, że zarówno Hsp70, jak i HSP47 ulegają ekspresji w skórze właściwej i naskórku po naświetlaniu laserem , a przestrzenne i czasowe zmiany we wzorcach ekspresji HSP definiują strefę uszkodzeń termicznych indukowanych laserem oraz proces gojenia w tkankach. Hsp70 może określać biochemicznie strefę uszkodzenia termicznego, w której komórki są kierowane do zniszczenia, a HSP47 może ilustrować proces regeneracji po uszkodzeniach indukowanych termicznie.

Neurodegeneracja

Hamowanie Hsp90 prowadzi do regulacji w górę Hsp70 i Hsp40, które mogą kierować nieprawidłowo sfałdowane białko do degradacji proteasomu, co może potencjalnie hamować postęp chorób neurodegeneracyjnych. Na przykład, nadekspresja Hsp70 w ludzkich komórkach nerwiaka glejaka transfekowanych zmutowaną alfa-synukleiną doprowadziła do 50% mniej oligomerycznych gatunków alfa-synukleiny, co wskazuje na możliwość, że zwiększenie jego ekspresji mogłoby zmniejszyć rozprzestrzenianie się choroby Parkinsona. Podobnie, nadekspresja Hsp70 tłumiła zależną od poli-Q agregację i neurodegenerację w hodowlach komórkowych, modelach drożdży, much i myszy, a delecja hsp70 zwiększyła wielkość ciał inkluzyjnych poliQ, co sugeruje, że zwiększenie jego ekspresji może pomóc w zapobieganiu chorobie Huntingtona. Podobnie, zmniejszenie Hsp70 wykazano w transgenicznych mysich modelach ALS i pacjentów ze sporadycznym ALS. Na koniec zaproponowano zwiększoną ekspresję lub aktywność Hsp70 jako metodę zapobiegania postępowi choroby Alzheimera, ponieważ wyciszenie Hsp70 promowało toksyczność A-beta i wykazano, że Hsp70 promuje stabilność tau, podczas gdy poziomy Hsp70 są obniżone w tauopatiach, takich jak Choroba Alzheimera. Biorąc pod uwagę złożoną interakcję między różnymi białkami opiekuńczymi, rozwój terapeutyczny w tej dziedzinie ma na celu zbadanie, w jaki sposób można manipulować siecią opiekuńczą jako całością oraz wpływ tej manipulacji na progresję choroby neurodegeneracyjnej, ale równowagę poziomów Hsp70 i Hsp90 wydaje się mieć kluczowe znaczenie w tej patofizjologii.

Członkowie rodziny

Prokariota eksprymują trzy białka Hsp70 : DnaK , HscA (Hsc66) i HscC (Hsc62) .

Organizmy eukariotyczne wyrażają kilka nieco różnych białek Hsp70. Wszystkie mają wspólną strukturę domeny, ale każdy ma unikalny wzór ekspresji lub lokalizacji subkomórkowej. Są to m.in.:

• Hsc70 (Hsp73/HSPA8) jest konstytutywnie eksprymowanym białkiem opiekuńczym. Zwykle stanowi od jednego do trzech procent całkowitego białka komórkowego.
• Hsp70 (kodowany przez trzy bardzo blisko spokrewnione paralogi: HSPA1A , HSPA1B i HSPA1L ) jest białkiem indukowanym stresem. Wysokie poziomy mogą być wytwarzane przez komórki w odpowiedzi na hipertermię, stres oksydacyjny i zmiany pH .
• Białko immunoglobuliny wiążącej ( BiP lub Grp78 ) jest białkiem zlokalizowanym w retikulum endoplazmatycznym . Jest tam zaangażowana w fałdowanie białek i może być regulowana w górę w odpowiedzi na stres lub głód.
• mtHsp70 lub Grp75 to mitochondrialne Hsp70.

Poniżej znajduje się lista ludzkich genów Hsp70 i odpowiadających im białek:

Hsps 90 i 110

Hsp90 są niezbędne do przebudowy białek, podobnie jak białka Hsp70, i odgrywają szczególnie istotną rolę u eukariontów, gdzie sugerowano, że Hsp90 oddziałuje z systemem DnaK (składającym się z DnaK, GrpE i DnaJ lub CbpA), aby ułatwić ten proces przebudowy białek. W E. coli Hsp90 działa wspólnie z Hsp70, ułatwiając przebudowę i aktywację białek. Hsp90Ec i DnaK są białkami opiekuńczymi, odpowiednio, Hsp90 i Hsp70. DnaK początkowo wiąże i stabilizuje nieprawidłowo sfałdowane białko przed współpracą z Hsp90Ec w celu ponownego sfałdowania tego substratu i wywołania jego aktywacji. W warunkach nadmiaru DnaK stwierdzono, że ten chaperon hamuje przebudowę białek. Jednak obecność Hsp90Ec może łagodzić ten efekt i umożliwiać przebudowę białka pomimo warunków nadmiaru DnaK.

Nadrodzina Hsp70 obejmuje również rodzinę białek Hsp110 / Grp170 (Sse), które są większymi białkami spokrewnionymi z Hsp70. Rodzina białek Hsp110 ma rozbieżne funkcje: drożdże Sse1p mają niewielką aktywność ATPazy, ale same są chaperonem, jak również czynnikiem wymiany nukleotydów dla Hsp70, podczas gdy blisko spokrewniony Sse2p ma niewielką aktywność unfoldazy.

Poniżej znajduje się lista obecnie nazwanych ludzkich genów HSP110. HSPH2-4 to proponowane nazwy, a obecna nazwa jest powiązana:

Zobacz też

• Białko szoku cieplnego 70 (Hsp70) wewnętrzne miejsce wejścia rybosomu (IRES)

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• HSP70+Heat-Shock+Białka w Narodowej Bibliotece Medycznej USA Medical Subject Headings (MeSH)