Шаперонин
Семья InterPro
Семейство белков
Семейство шаперонинов TCP-1/cpn60
Структура бактериального шаперонина GroEL. [1]
Идентификаторы
СимволCpn60_TCP1
ПфамПФ00118
ИнтерПроIPR002423
ПРОСИТPDOC00610
КАТ5ГВ5
СКОП21grl / SCOPe / SUPFAM
CDDcd00309
Доступные структуры белков:
Пфам  структуры / ECOD  
ПДБRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsumрезюме структуры
ПДБ1sx3 K:23-525 1kpo Z:23-525 1fya A:190-375

1гру Н:23-525 1ск Ф:23-525 1кп8 Э:23-525 1пцц Я:23-524 1аон Я:23-524 1мнф Я :23-525 1свт Я:23-524 2с7д К:23-525 1дкд С:190-335 1й4з Л:23-525 1оэл Э:23-524 2с7с Ч:23-525 1гр5 Ч:23-525 1сх4 Э:23-524 1кид :190-375 1гр6 Ф:23-525 1сс8 С:23-524 1фй9 А:190-375 1дк7 А:190-335 1jon :190-335 1la1 A:187-378 1iok A:23-526 1wf4 e:22-526 1we3 E:22-526 1sjp B:42-522 1srv A:1-143 1a6d B:33-521 1a6e B:33-521 1e0r B:215-366 1ass :214-364

1asx :214-364 1gn1 H:210-380 1gml B:210-380

HSP60 , также известный как шаперонины ( Cpn ), представляет собой семейство белков теплового шока, изначально отсортированных по молекулярной массе 60 кДа. Они предотвращают неправильное сворачивание белков во время стрессовых ситуаций, таких как высокая температура, помогая сворачиванию белков. HSP60 принадлежит к большому классу молекул, которые помогают сворачиванию белков, называемых молекулярными шаперонами . [2] [3]

Вновь созданные белки обычно должны сворачиваться из линейной цепи аминокислот в трехмерную третичную структуру . Энергия для сворачивания белков обеспечивается нековалентными взаимодействиями между боковыми цепями аминокислот каждого белка и эффектами растворителя. Большинство белков спонтанно сворачиваются в свою наиболее стабильную трехмерную конформацию, которая обычно является также их функциональной конформацией, но иногда белки сворачиваются неправильно. Молекулярные шапероны катализируют повторное сворачивание белков, ускоряя частичное разворачивание неправильно свернувшихся белков, чему способствует энергия, поставляемая гидролизом аденозинтрифосфата ( АТФ). Шаперониновые белки также могут помечать неправильно свернутые белки для деградации. [3]

Структура

Структура этих шаперонинов напоминает два пончика, сложенных друг на друга, чтобы создать бочку. Каждое кольцо состоит из 7, 8 или 9 субъединиц в зависимости от организма, в котором находится шаперонин. Каждую пептидную цепь ~60kDa можно разделить на три домена: апикальный, промежуточный и экваториальный. [4]

Предполагается, что исходный шаперонин произошел от пероксиредоксина . [5]

Классификация

Группа I

Комплекс GroES/GroEL (сбоку)

Шаперонины группы I (Cpn60) [a] обнаружены в бактериях, а также в органеллах эндосимбиотического происхождения: хлоропластах и ​​митохондриях .

Комплекс GroEL/GroES в E. coli представляет собой шаперонин группы I и наиболее хорошо охарактеризованный большой (~ 1 МДа) шаперониновый комплекс.

  • GroEL представляет собой 14-мерный белок с двойным кольцом и жирным гидрофобным участком в начале, способный обеспечивать нативную укладку субстратов размером 15–60 кДа.
  • GroES (представляет собой однокольцевой гептамер, который связывается с GroEL в присутствии АТФ или аналогов переходного состояния гидролиза АТФ, таких как АДФ-AlF 3 . Он подобен крышке, которая покрывает GroEL (коробку/бутылку).

GroEL/GroES, возможно, не способен разрушать белковые агрегаты, но кинетически он конкурирует на пути неправильного сворачивания и агрегации, тем самым предотвращая образование агрегатов. [6]

Подсемейство Cpn60 было открыто в 1988 году. [7] Оно было секвенировано в 1992 году. Олигомеры cpn10 и cpn60 также требуют Mg2 + -АТФ для взаимодействия с образованием функционального комплекса. [8] Связывание cpn10 с cpn60 ингибирует слабую активность АТФазы cpn60. [9]

Субъединичный связывающий белок RuBisCO является членом этого семейства. [10] Кристаллическая структура Escherichia coli GroEL была разрешена до 2,8 Å. [11]

Некоторые бактерии используют несколько копий этого шаперонина, вероятно, для разных пептидов. [4]

Группа 2

Структура Saccharomyces cerevisiae TRiC в связанном состоянии AMP-PNP ( PDB : 5GW5 ​). [12]

Шаперонины группы II (TCP-1), обнаруженные в цитозоле эукариот и архей , изучены хуже.

  • Комплекс в археях называется термосомой . Гомо-16мер в некоторых археях, он рассматривается как прототипический шаперонин типа II. [b]
  • TRiC , эукариотический шаперонин, состоит из двух колец из восьми различных, хотя и связанных между собой субъединиц , каждая из которых, как полагают, представлена ​​по одному разу на восьмичленное кольцо. Первоначально считалось, что TRiC сворачивает только цитоскелетные белки актин и тубулин, но теперь известно, что он сворачивает десятки субстратов.

Шаперонин Methanococcus maripaludis (Mm cpn) состоит из шестнадцати идентичных субъединиц (восемь на кольцо). Было показано, что он сворачивает митохондриальный белок роданезу; однако, никаких природных субстратов пока не обнаружено. [13]

Шаперонины группы II, как полагают, не используют кофактор типа GroES для сворачивания своих субстратов. Вместо этого они содержат «встроенную» крышку, которая закрывается в АТФ-зависимой манере, чтобы инкапсулировать свои субстраты, процесс, который требуется для оптимальной активности сворачивания белка. Они также взаимодействуют с ко-шапероном, префолдином , который помогает перемещать субстрат. [3]

Другие семьи

Группа III включает некоторые бактериальные Cpns, которые связаны с группой II. У них есть крышка, но открытие крышки у них некооперативное. Считается, что они являются древними родственниками группы II. [3] [4]

Шаперонин группы I gp146 из фага EL не использует крышку, и его интерфейс пончика больше похож на Группу II. Он может представлять собой другой древний тип шаперонина. [14]

Механизм действия

Шаперонины претерпевают большие конформационные изменения во время реакции сворачивания в зависимости от ферментативного гидролиза АТФ, а также связывания субстратных белков и кошаперонинов, таких как GroES. Эти конформационные изменения позволяют шаперонину связывать несвернутый или неправильно свернутый белок, инкапсулировать этот белок в одну из полостей, образованных двумя кольцами, и высвобождать белок обратно в раствор. После высвобождения субстратный белок либо свернется, либо потребует дополнительных раундов сворачивания, и в этом случае он снова может быть связан шаперонином.

Точный механизм, посредством которого шаперонины облегчают сворачивание субстратных белков, неизвестен. Согласно недавним анализам с использованием различных экспериментальных методов, субстратные белки, связанные с GroEL, заселяют ансамбль компактных и локально расширенных состояний, в которых отсутствуют стабильные третичные взаимодействия. [15] Было предложено несколько моделей действия шаперонина, которые в целом фокусируются на двух (не взаимоисключающих) ролях внутренней части шаперонина: пассивной и активной. Пассивные модели рассматривают клетку шаперонина как инертную форму, оказывая влияние путем уменьшения конформационного пространства, доступного для белкового субстрата, или предотвращения межмолекулярных взаимодействий, например, путем предотвращения агрегации. [16] Активная роль шаперонина, в свою очередь, связана со специфическими взаимодействиями шаперонина с субстратом, которые могут быть связаны с конформационными перестройками шаперонина. [17] [18] [19]

Вероятно, наиболее популярной моделью активной роли шаперонина является механизм итеративного отжига (IAM), который фокусируется на эффекте итеративного и гидрофобного по своей природе связывания белкового субстрата с шаперонином. Согласно исследованиям вычислительного моделирования, IAM приводит к более продуктивному сворачиванию путем разворачивания субстрата из неправильно сложенных конформаций [19] или путем предотвращения неправильного сворачивания белка путем изменения пути сворачивания. [17]

Сохранение структурной и функциональной гомологии

Как уже упоминалось, все клетки содержат шаперонины.

  • У бактерий архетипом является хорошо охарактеризованный шаперонин GroEL из E. coli .
  • У архей шаперонин называется термосомой .
  • У эукариот цитоплазматический шаперонин называется CCT (также называется TRiC ).

Эти белковые комплексы, по-видимому, необходимы для жизни E. coli , Saccharomyces cerevisiae и высших эукариот. Хотя существуют различия между эукариотическими, бактериальными и архейными шаперонинами, общая структура и механизм сохраняются. [3]

Морфогенез бактериофага Т4

Продукт гена 31 (gp31) бактериофага T4 представляет собой белок, необходимый для морфогенеза бактериофага, который действует каталитически, а не встраивается в структуру бактериофага. [20] Бактерия E. coli является хозяином для бактериофага T4. Кодируемый бактериофагом белок gp31, по-видимому, гомологичен белку кошаперонина E. coli GroES и способен заменять его при сборке вирионов фага T4 во время инфекции. [21] Подобно GroES, gp31 образует стабильный комплекс с шаперонином GroEL , который абсолютно необходим для сворачивания и сборки in vivo основного капсидного белка бактериофага T4 gp23. [21]

Основная причина, по которой фагу необходим собственный гомолог GroES, заключается в том, что белок gp23 слишком велик, чтобы поместиться в обычную клетку GroES. У gp31 более длинные петли, которые создают более высокий контейнер. [22]

Клиническое значение

Человеческий GroEL является иммунодоминантным антигеном пациентов с болезнью легионеров [10] и, как полагают, играет роль в защите бактерий Legionella от кислородных радикалов внутри макрофагов . Эта гипотеза основана на открытии того, что ген cpn60 активируется в ответ на перекись водорода , источник кислородных радикалов. Также было обнаружено, что Cpn60 проявляет сильную антигенность во многих видах бактерий [23] и имеет потенциал для индукции иммунной защиты от неродственных бактериальных инфекций.

Примеры

Гены человека, кодирующие белки, содержащие этот домен, включают:

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Семейство GroEL в InterPro обозначается как Cpn60. Однако CDD использует Cpn60 для обозначения белков группы II в археях.
  2. ^ Некоторые археи эволюционировали, чтобы использовать, подобно эукариотам, различные субъединицы. Известно, что Methanosarcina acetivorans имеет пять типов субъединиц. [3] Считается, что у предка эукариотического TriC их было два. [5]

Ссылки

  1. ^ Braig K, Otwinowski Z, Hegde R, Boisvert DC, Joachimiak A, Horwich AL, Sigler PB (октябрь 1994 г.). «Кристаллическая структура бактериального шаперонина GroEL при 2,8 А». Nature . 371 (6498): 578– 86. Bibcode :1994Natur.371..578B. doi :10.1038/371578a0. PMID  7935790. S2CID  4341993.
  2. ^ "Howard Hughes Investigators: Arthur L. Horwich, MD" Архивировано из оригинала 2019-07-26 . Получено 2011-09-12 .
  3. ^ abcdef Conway de Macario E, Yohda M, Macario AJ, Robb FT (2019-03-15). "Соединение человеческих шаперонопатий и микробных шаперонинов". Communications Biology . 2 (1): 103. doi :10.1038/s42003-019-0318-5. PMC 6420498. PMID  30911678 . 
  4. ^ abc Ansari MY, Mande SC (2018). "Взгляд на структуру и функцию атипичных шаперонинов типа I". Frontiers in Molecular Biosciences . 5 : 31. doi : 10.3389/fmolb.2018.00031 . PMC 5904260. PMID  29696145. 
  5. ^ ab Willison, KR (5 октября 2018 г.). «Структура и эволюция эукариотического шаперонина, содержащего TCP-1, и его механизм, который сворачивает актин в белковую пружину». The Biochemical Journal . 475 (19): 3009– 3034. doi :10.1042/BCJ20170378. hdl : 10044/1/63924 . PMID  30291170. S2CID  52923821.
  6. ^ Fenton WA, Horwich AL (май 2003). «Сворачивание белка, опосредованное шаперонином: судьба субстратного полипептида». Quarterly Reviews of Biophysics . 36 (2): 229–56 . doi :10.1017/S0033583503003883. PMID  14686103. S2CID  10328521.
  7. ^ Hemmingsen SM, Woolford C, van der Vies SM, Tilly K, Dennis DT, Georgopoulos CP и др. (май 1988 г.). «Гомологичные растительные и бактериальные белки шаперон олигомерная сборка белков». Nature . 333 (6171): 330– 4. Bibcode :1988Natur.333..330H. doi :10.1038/333330a0. PMID  2897629. S2CID  4325057.
  8. ^ Прасад TK, Стюарт CR (март 1992). «cDNA клоны, кодирующие Arabidopsis thaliana и митохондриальный шаперонин HSP60 Zea mays и экспрессия генов во время прорастания семян и теплового шока». Plant Molecular Biology . 18 (5): 873–85 . doi :10.1007/BF00019202. PMID  1349837. S2CID  40768099.
  9. ^ Schmidt A, Schiesswohl M, Völker U, Hecker M, Schumann W (июнь 1992 г.). «Клонирование, секвенирование, картирование и транскрипционный анализ оперона groESL из Bacillus subtilis». Журнал бактериологии . 174 (12): 3993– 9. doi : 10.1128 /jb.174.12.3993-3999.1992. PMC 206108. PMID  1350777. 
  10. ^ ab Hindersson P, Høiby N, Bangsborg J (январь 1991 г.). "Анализ последовательности оперона groELS Legionella micdadei". FEMS Microbiology Letters . 61 (1): 31– 8. doi : 10.1111/j.1574-6968.1991.tb04317.x . PMID  1672279.
  11. ^ Braig K, Otwinowski Z, Hegde R, Boisvert DC, Joachimiak A, Horwich AL, Sigler PB (октябрь 1994 г.). «Кристаллическая структура бактериального шаперонина GroEL при 2,8 А». Nature . 371 (6498): 578– 86. Bibcode :1994Natur.371..578B. doi :10.1038/371578a0. PMID  7935790. S2CID  4341993.
  12. ^ Zang Y, Jin M, Wang H, Cui Z, Kong L, Liu C, Cong Y (декабрь 2016 г.). «Механизм связывания АТФ эукариотического шаперонина TRiC (CCT), выявленный с помощью крио-ЭМ высокого разрешения». Nature Structural & Molecular Biology . 23 (12). Springer Science and Business Media LLC: 1083– 1091. doi :10.1038/nsmb.3309. PMID  27775711. S2CID  12001964.
  13. ^ Kusmierczyk AR, Martin J (май 2003). "Нуклеотид-зависимое сворачивание белка в шаперонине типа II из мезофильной археи Methanococcus maripaludis". The Biochemical Journal . 371 (Pt 3): 669–73 . doi :10.1042/BJ20030230. PMC 1223359. PMID  12628000 . 
  14. ^ Bracher A, Paul SS, Wang H, Wischnewski N, Hartl FU, Hayer-Hartl M (27 апреля 2020 г.). «Структура и конформационный цикл шаперонина, кодируемого бактериофагом». PLOS ONE . 15 (4): e0230090. Bibcode : 2020PLoSO..1530090B. doi : 10.1371/journal.pone.0230090 . PMC 7185714. PMID  32339190 . 
  15. ^ Hartl FU, Hayer-Hartl M (июнь 2009 г.). «Сходящиеся концепции сворачивания белков in vitro и in vivo». Nature Structural & Molecular Biology . 16 (6): 574– 81. doi :10.1038/nsmb.1591. PMID  19491934. S2CID  205522841.
  16. ^ Apetri AC, Horwich AL (ноябрь 2008 г.). «Шаперониновая камера ускоряет сворачивание белка посредством пассивного действия по предотвращению агрегации». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (45): 17351– 5. Bibcode : 2008PNAS..10517351A. doi : 10.1073/pnas.0809794105 . PMC 2579888. PMID  18987317 . 
  17. ^ ab Kmiecik S, Kolinski A (июль 2011 г.). «Моделирование эффекта шаперонина на сворачивание белка: переход от механизма зародышеобразования-конденсации к каркасному». Журнал Американского химического общества . 133 (26): 10283– 9. doi :10.1021/ja203275f. PMC 3132998. PMID  21618995 . 
  18. ^ Чакраборти К, Чатила М, Синха Дж, Ши К, Пошнер BC, Сикор М и др. (Июль 2010 г.). «Катализируемое шаперонином спасение кинетически захваченных состояний при сворачивании белка». Cell . 142 (1): 112– 22. doi : 10.1016/j.cell.2010.05.027 . PMID  20603018. S2CID  3859016.
  19. ^ ab Todd MJ, Lorimer GH, Thirumalai D (апрель 1996 г.). "Сворачивание белка с помощью шаперонина: оптимизация скорости и выхода с помощью механизма итеративного отжига". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (9): 4030– 5. Bibcode : 1996PNAS...93.4030T. doi : 10.1073/pnas.93.9.4030 . PMC 39481. PMID  8633011 . 
  20. ^ Snustad DP (август 1968). «Доминантные взаимодействия в клетках Escherichia coli, смешанно инфицированных бактериофагом T4D дикого типа и мутантами amber, и их возможные последствия для типа функции гена-продукта: каталитическая против стехиометрической». Вирусология . 35 (4): 550–63 . doi :10.1016/0042-6822(68)90285-7. PMID  4878023.
  21. ^ ab Марусич Е.И., Курочкина Л.П., Месянжинов В.В. (апрель 1998). "Шапероны в сборке бактериофага Т4". Биохимия (Москва) . 63 (4): 399–406 . PMID  9556522.
  22. ^ Bukau B, Horwich AL (февраль 1998). "Машины шаперонов Hsp70 и Hsp60". Cell . 92 (3): 351– 66. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80928-9 . PMID  9476895. S2CID  16526409.
  23. ^ Гор Д., Мэйфилд Дж. Э. (февраль 1992 г.). «Клонирование и нуклеотидная последовательность оперона Brucella abortus groE». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Структура и экспрессия генов . 1130 (1): 120–2 . doi :10.1016/0167-4781(92)90476-г. ПМИД  1347461.
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR002423
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Chaperonin&oldid=1240193822#Group_II"