Химический шаперон

Химические шапероны — это класс малых молекул , которые функционируют для улучшения сворачивания и/или стабильности белков. Химические шапероны — это обширная и разнообразная группа молекул, и они могут влиять на стабильность белков и организацию полипептидов посредством различных механизмов. Химические шапероны используются для различных целей: от производства рекомбинантных белков до лечения неправильного сворачивания белков in vivo .

Существует множество различных малых молекул, которые могут функционировать для повышения стабильности и сворачивания белка, многие из них могут быть в целом сгруппированы в большие классы на основе как их структуры, так и их предполагаемого механизма действия. Параметры, которые определяют эти группы, не являются строго определенными, и многие малые молекулы, которые оказывают эффект химического шаперонирования, не сразу попадают в одну из этих категорий. Например, свободная аминокислота аргинин не классически определяется как химический шаперон, но она имеет хорошо документированный антиагрегационный эффект. ^[1]

Клеточные осмолиты — это полярные небольшие молекулы, которые синтезируются или поглощаются клетками для поддержания целостности клеточных компонентов в периоды осмотического или других форм стресса. ^[1] Осмолиты разнообразны по химической структуре и включают полиолы, сахара, метиламины и свободные аминокислоты и их производные. Примерами этого являются глицерин , трегалоза , триметиламин n-оксид (TMAO) и глицин . ^[2] Несмотря на то, что осмолиты наиболее активны при относительно высоких концентрациях, они не оказывают никакого воздействия на нормальные клеточные процессы — по этой причине их также обычно называют «совместимыми растворенными веществами». ^[1] Осмолиты оказывают свое шаперонирующее действие косвенно, изменяя взаимодействие белка с растворителем, а не через какое-либо прямое взаимодействие с белком. Неблагоприятные взаимодействия между белками и осмолитами увеличивают сольватацию белка с водой. Эта повышенная гидратация благоприятствует более компактным полипептидным конформациям, в которых гидрофобные остатки более плотно изолированы от полярного растворителя. Таким образом, считается, что осмолиты работают, структурируя частично сложенные промежуточные продукты и термодинамически стабилизируя сложенные конформации в большей степени, чем развернутые конформации. ^[2]

Химические соединения, которые имеют различную степень гидрофобности, но все еще растворимы в водной среде, также могут действовать как химические шапероны. Считается, что эти соединения действуют путем связывания с гидрофобными сегментами, открытыми для растворителя, развернутых или неправильно свернутых белков, тем самым «защищая» их от агрегации. 4-фенилбутират (PBA) является ярким примером этой группы соединений, наряду с лизофосфатидными кислотами и другими липидами и детергентами. ^[3]

Другой класс шаперонов состоит из белковых лигандов, кофакторов, конкурентных ингибиторов и других небольших молекул, которые специфически связываются с определенными белками. Поскольку эти молекулы активны только на определенном белке, их называют фармакологическими шаперонами. Эти молекулы могут индуцировать стабильность в определенной области белка посредством благоприятных связывающих взаимодействий, которые снижают присущую конформационную гибкость полипептидной цепи. ^[2] Другим важным свойством фармакологических шаперонов является то, что они способны связываться с развернутым или неправильно свернутым белком, а затем диссоциировать, как только белок будет правильно сложен, оставляя функциональный белок. ^[1]

Помимо клинического применения, химические шапероны оказались полезными в производстве рекомбинантных белков in vitro .

Рекомбинантная экспрессия белка в Escherichia coli часто приводит к образованию нерастворимых белковых агрегатов, называемых тельцами включения . Эти белковые тельца требуют рефолдинга in vitro после извлечения из клеток E.coli сильным детергентом. Считается, что белки разворачиваются во время процесса солюбилизации, а последующее удаление детергента путем разбавления анализа позволяет их рефолдинг. Как усилители фолдинга, так и супрессоры агрегации часто используются во время удаления денатуранта для облегчения фолдинга в нативную структуру и предотвращения агрегации. Усилители фолдинга помогают белку принять нативную структуру как можно скорее, когда концентрация детергента резко снижается сразу, как в процессе разбавления. С другой стороны, супрессоры агрегации предотвращают агрегацию промежуточных продуктов фолдинга белка даже после длительного воздействия промежуточного уровня детергента, как это наблюдается при диализе. Например, сообщалось, что таурин значительно увеличивает выход рефолдинга in vitro для антител Fab-фрагментов . ^[1]

Открытие влияния химических шаперонов на сворачивание белков привело к периплазматической экспрессии белков, особенно тех, которым требуется окислительная среда для образования дисульфидных связей для правильного сворачивания. Сворачивание белков, которое трудно осуществить в цитоплазме, может быть усилено в периплазме, где осмотическое давление можно легко контролировать. Осмотическое давление периплазматического пространства можно просто изменить, изменив давление среды, поскольку осмолиты свободно проникают через внешнюю мембрану. Белки секретируются в это пространство, когда к его концу присоединена соответствующая сигнальная последовательность. Хорошим примером улучшения сворачивания путем периплазматической экспрессии является вариант активатора плазминогена (rPA), содержащий дисульфидную связь. Показано, что сворачивание rPA увеличивается, когда в культуральную среду добавляют усилители сворачивания или аргинин. ^[1]

Галофилы — это тип экстремофилов, которые приспособились к экстремальным солевым растворам. Галофилы делятся на две категории: 1) чрезвычайно галофильные археи и 2) умеренно галофильные бактерии . Чрезвычайно галофильные археи приспособились к необходимости высоких концентраций соли (2,5 М) в среде обитания, включив высокую концентрацию соли в клетку. С другой стороны, умеренно галофильные бактерии достигают жизни в широком диапазоне концентраций соли путем синтеза или включения органических соединений. Многие галофильные бактерии и археи легко поддерживать, и их высокое клеточное осмотическое давление использовалось в производстве рекомбинантного белка. Клеточная среда галофилов может быть точно настроена для обеспечения фолдинга интересующего белка путем регулирования концентрации осмолитов в культуральной среде. Успешная экспрессия и сворачивание белка нуклеации льда, GFP, α-амилазы, нуклеотиддифосфаткиназы и сериновой рацемазы были зарегистрированы у галофилов. ^[1]

Поскольку химические шапероны способствуют сохранению нативной структуры белков, возможности разработки химических шаперонов для клинического применения были изучены при различных заболеваниях, связанных с нарушением сворачивания белков.

Муковисцидоз (МВ) — это заболевание, возникающее в результате неспособности поддерживать уровень трансмембранного регулятора проводимости муковисцидоза (МВТР), который функционирует как хлоридный канал в легочных тканях. Точечная мутация ΔF508 в белке МВТР нарушает созревание белка, что было обнаружено у ряда пациентов с МВ. Установлено, что мутантный МВТР в основном не может транспортироваться к клеточной мембране и разрушается в ЭР; однако те, которые успешно достигают клеточной мембраны, полностью функциональны. В результате было показано, что ряд химических шаперонов способствуют перемещению ΔF508 МВТР к плазматической мембране. ^[4]

Частично денатурированный транстиретин (TTR) может способствовать образованию амилоидных фибрилл в клетках, и эта агрегация может привести к клеточной токсичности и различным патологиям заболеваний человека. Было обнаружено много малых молекулярных ингибиторов образования амилоида TTR, которые действуют путем кинетической стабилизации тетрамера TTR. Это предотвращает события неправильного сворачивания мономера, препятствуя диссоциации тетрамера TTR. ^[5] Тафамидис является одной из таких малых молекул, которая была одобрена несколькими международными регулирующими агентствами для лечения семейной амилоидной полинейропатии транстиретина. ^[6]

• Шаперон (белок) , белки, которые выполняют ту же функцию