Šaperonin

Šaperoninska porodica TCP-1/cpn60
GroEL-GroES-šaperonski kompleks
Kofaktor: ATP

Struktura bakterijskog šaperonina GroEL
[1]
Identifikatori
SimbolCpn60/TCP1
OMIM118190
PDBProteinska banka podataka Proteinska banka podataka

HSP60, poznat i kao šaperonini (Cpn), porodica je proteina toplotnog šoka, prvobitno sortirana po molekulskoj masi od 60 kDa. Sprečavaju pogrešno savijanje proteina za vrijeme stresnih situacija. kao što je velika vrućina, pomažući u savijanju proteina. HSP60 pripadaju velikoj klasi molekula koje pomažu u savijanju proteina, zvanim molekulski šaperoni.[2][3]

Novoproizvedeni proteini obično moraju se presavti iz linearnog lanca aminokiselina u trodimenzijska tercijarna struktura. Energiju za savijanje proteina daje adenozin-trifosfat (ATP). Šaperoninski proteini mogu također označiti da se pogrešno savijeni proteini razgrađuju.

Struktura

[uredi | uredi izvor]

Struktura ovih pratitela podsjeća na dvije krofne naslagane jednu na drugu kako bi stvorile bačvu. Svaki prsten sastoji se od 7, 8 ili 9 podjedinica, ovisno o organizmu u kojem se šaperonin nalazi. Svaki peptidni lanac od ~ 60kDa može se podijeliti u tri domena, apikalni, srednji i ekvatorijalni.[4]

Pretpostavlja se da je originalni šapronin evoluirao iz peroksiredoksina.[5]

Klasifikacija

[uredi | uredi izvor]

Grupa I

[uredi | uredi izvor]
Kompleks GroES/GroEL (bočno)

Šaperonini grupe I (Cpn60), porodica GroEL, prema InterPro, naziva se Cpn60. Međutim, CDD za označavanje proteina Grupe II koristi Cpn60 u arhejama. Nalaze seu bakterijama, kao i organelaa endosimbiotskog porijekla: hloroplasti i mitohondrije.

Kompleks GroEL / GroES u E. coli je šaperonin grupe I i najbolje karakterizirani veliki (~1 MDa) kompleks šaperonina.

  • GroEL je dvostruki prsten od 14 mera sa masnim hidrofobnim flasterom na svom otvaranju i može primiti nativno preklapanje supstrata veličine 15-60 kDa.
  • GroES je heptamer s jednim prstenom, koji se veže za GroEL u prisustvu ATP-a ili analoga ATP-hidrolize u prijelaznom stanju, kao što je ADP-AlF3. To je poput poklopca koji pokriva GroEL (kutija/boca).

GroEL/GroES možda neće moći poništiti proteinske agregate, ali se kinetički natječe na putu pogrešnog savijanja i agregacije, sprečavajući tako stvaranje agregata.[6]

Potporodica Cpn60 otkrivena je 1998.[7] Sekvencirana je 1992. Za oligomere cpn10 i cpn60 potreban je također Mg2+-ATP, da bi se interakcija stvorila u funkcionalni kompleks.[8] Vezinje cpn10 na cpn60 inhibira slabu ATPaznu aktivnost cpn60.[9]

Član ove porodice je protein koji veže podjedinicu RuBisCO. Kristalna struktura GroEL-a Escherichia coli je 2,8 Å.[10]

Neke bakterije koriste više kopija ovog šaperonina, vjerovatno za različite peptide.

Grupa II

[uredi | uredi izvor]
Struktura TRiC Saccharomyces cerevisiae u AMP-PNP vezanom stanju (5GW5).[11]

Grupa II šaperonina (TCP-1), slabije je okarakterizirana, pronađena je u eukariotskom citosolu i arhejama.

  • Kompleks u arhejama naziva se termosom. Homo-16mer u nekim arhejama, smatra se prototipskim šaperoninom tipa II. Neke Archaea, poput eukariota evoluirale su u pravcu korištenja različitih podjedinica. Poznato je da Methanosarcina acetivorans ima pet tipova podjedinica. Smatra se da predak eukarotskog TriC-a ima dvije
  • TRiC, eukariotski šaperonin, sastoji se od dva prstena od osam različitih, iako srodnih podjedinica, za koje se smatra da će biti predstavljeni jednom u osmeročlanom prstenu. Prvobitno se smatralo da TRiC savija samo citoskeletne proteine aktin i tubulin, ali sada je poznato da savija desetine supstrata.

Šaperonin (Mm cpn) kod Methanococcus maripaludis sastoji se od šesnaest identičnih podjedinica (osam po prstenu). Dokazano je da presavija mitohondrijski protein rodan; međutim, još uvijek nisu identificirani prirodni supstrati.[12]

Grupa II šaperonina ne smatra se da koriste kofaktor tipa GroES za presavijanje svojih podloga. Umjesto toga, sadrže "ugrađeni" poklopac koji se zatvara na način ovisan o ATP-u, da bi enkapsulirao svoje supstrate, postupak koji je potreban za optimalnu aktivnost presavijanja proteina. Oni također stupaju u interakciju sa parnjakom, prefoldinom, koji pomaže u presavijanju podloge.

Ostale porodice

[uredi | uredi izvor]

Grupa III uključuje neke bakterijske Cpns, koji su povezani sa grupom II. Imaju poklopac, ali njegovo otvaranje kod njih ne se može usklađivati. Smatra se da su drevni srodnici grupe II.

Šapronin grupe I gp146 iz faga EL ne koristi poklopac, a njegov krofnoliki interfejs sličniji je grupi II. Mogao bi predstavljati još jednu drevnu vrstu šapronina.[13]

Mehanizam djelovanja

[uredi | uredi izvor]

Šaperonini se podvrgavaju velikim konformacijskim promjenama tokom reakcije presavijanja u funkciji enzimske hidrolize ATP-a, kao i vezanja supstrata proteina i košaperonina, kao što je GroES. Te konformacijske promjene omogućavaju šaperoninu da veže nerazvijeni ili pogrešno savijeni protein, inkapsulira taj protein unutar jedne od šupljina, formiranih od dva prstena i oslobađa protein natrag u rastvor. Po oslobađanju, supstratni protein će se ili saviti ili će mu trebati daljnje presavijanje; u tom slučaju ga opet može vezati šaperonin.

Tačan mehanizam pomoću kojeg šaperonini olakšavaju savijanje supstrata proteina je nepoznat. Prema nedavnim analizama različitim eksperimentalnim tehnikama, proteini supstrata vezani za GroEL naseljavaju ansambl kompaktnih i lokalno proširenih stanja, kojima nedostaju stabilne tercijarne interakcije.[14] Predložen je niz modela djelovanja šaperonina, koji se uglavnom fokusiraju na dvije (ne međusobno isključujuće) uloge njihove unutrašnjosti: pasivne i aktivne. Pasivni modeli tretiraju kafez sa šaperoninom kao inertan oblik, vršeći uticaj smanjenjem konformacijskog prostora dostupnog proteinskom supstratu ili sprj ečavanjem međimolekulaskih interakcija, npr. prevencijom agregacije.[15] Aktivna uloga šaperonina zauzvrat je uključena u specifične interakcije šaperonin–supstrat, koje se mogu povezati s konformacijskim preuređivanjem šaperonina.[16][17][18]

Vjerovatno najpopularniji model aktivne uloge šaperonina je iteraktivni mehanizam žarenja (IAM) koji se fokusira na učinak interativnog i hidrofobnog vezanja proteinskog supstrata za šaperonin. Prema proračunskim simulacijskim studijama, IAM dovodi do produktivnijeg savijanja, rasklapanjem supstrata od pogrešno presavijenih konformacija ili sprečavanjem pogrešnog savijanja proteina promjenom puta savijanja.

Konzervacija strukturne i funkcionalne homologije

[uredi | uredi izvor]

Kao što je spomenuto, sve ćelije sadrže šaperonine.

Ovi proteinski kompleksi neophodni za život u E. coli , Saccharomyces cerevisiae i viših eukariota. Iako postoje razlike između eukariotskih, bakterijskih i arhejskih šaperonina, opća struktura i mehanizam su očuvani.

Morfogeneza bakteriofaga T4

[uredi | uredi izvor]

Genski proizvod 31 (gp31) bakteriofag T4 je protein potreban za morfogenezu bakteriofaga koji djeluje katalitski, umjesto da se ugradi u strukturu bakteriofaga.[19] Bakterija E. coli je domaćin bakteriofaga T4. Izgleda da je protein gp31 kodiran iz bakteriofaga homologan s košaperoninskim proteinom GroES E. coli i sposoban je da ga zamijeni u sklopu viriona faga T4, tokom infekcije.[20] Kao i GroES, gp31 sa GroEL šaperoninom tvori stabilan kompleks, koji je apsolutno neophodan za savijanje i sastavljanje in vivo glavnog kapsidnog proteina gp23 bakteriofaga.

Glavni razlog zašto fagu treba vlastiti GroES homolog je taj što je protein gp23 prevelik da bi se uklopio u konvencijski GroES kafez; gp31 ima duže petlje koje stvaraju viši kontejner.[21]

Klinički značaj

[uredi | uredi izvor]

Ljudski GroEL je imunodominantni antigen pacijenata sa Legionarskom bolešću,[22] i smatra se da ima ulogu u zaštiti bakterija Legionella od kisika radikala unutar makrofaga. Ova hipoteza temelji se na otkriću da je gen cpn60 pojačano reguliran kao odgovor na vodik-peroksid, izvor radikala kiseika. Također je utvrđeno da Cpn60 pokazuje jaku antigenost kod mnogih bakterijskih vrsta[23] i ima potencijal za indukciju imunske zaštite od nepovezanih bakterijskih infekcija.

Primjeri

[uredi | uredi izvor]

Primjeri uključuju ljudske kodirajuće gene zaproteine koji sadrže ove domene:

Također pogledajte

[uredi | uredi izvor]

Napomene

[uredi | uredi izvor]

Reference

[uredi | uredi izvor]
  1. ^ Braig K, Otwinowski Z, Hegde R, Boisvert DC, Joachimiak A, Horwich AL, Sigler PB (oktobar 1994). "The crystal structure of the bacterial chaperonin GroEL at 2.8 A". Nature. 371 (6498): 578–86. doi:10.1038/371578a0. PMID 7935790.
  2. ^ "Howard Hughes Investigators: Arthur L. Horwich, M.D." Arhivirano s originala, 26. 7. 2019. Pristupljeno 24. 2. 2021.
  3. ^ Conway de Macario E, Yohda M, Macario AJ, Robb FT (15. 3. 2019). "Bridging human chaperonopathies and microbial chaperonins". Communications Biology. 2 (1): 103. doi:10.1038/s42003-019-0318-5. PMC 6420498. PMID 30911678.
  4. ^ Ansari MY, Mande SC (2018). "A Glimpse Into the Structure and Function of Atypical Type I Chaperonins". Frontiers in Molecular Biosciences. 5: 31. doi:10.3389/fmolb.2018.00031. PMC 5904260. PMID 29696145.
  5. ^ Willison, KR (5. 10. 2018). "The structure and evolution of eukaryotic chaperonin-containing TCP-1 and its mechanism that folds actin into a protein spring". The Biochemical Journal. 475 (19): 3009–3034. doi:10.1042/BCJ20170378. hdl:10044/1/63924. PMID 30291170.
  6. ^ Fenton WA, Horwich AL (maj 2003). "Chaperonin-mediated protein folding: fate of substrate polypeptide". Quarterly Reviews of Biophysics. 36 (2): 229–56. doi:10.1017/S0033583503003883. PMID 14686103.
  7. ^ Hemmingsen SM, Woolford C, van der Vies SM, Tilly K, Dennis DT, Georgopoulos CP, et al. (maj 1988). "Homologous plant and bacterial proteins chaperone oligomeric protein assembly". Nature. 333 (6171): 330–4. Bibcode:1988Natur.333..330H. doi:10.1038/333330a0. PMID 2897629.
  8. ^ Prasad TK, Stewart CR (mart 1992). "cDNA clones encoding Arabidopsis thaliana and Zea mays mitochondrial chaperonin HSP60 and gene expression during seed germination and heat shock". Plant Molecular Biology. 18 (5): 873–85. doi:10.1007/BF00019202. PMID 1349837.
  9. ^ Schmidt A, Schiesswohl M, Völker U, Hecker M, Schumann W (juni 1992). "Cloning, sequencing, mapping, and transcriptional analysis of the groESL operon from Bacillus subtilis". Journal of Bacteriology. 174 (12): 3993–9. doi:10.1128/jb.174.12.3993-3999.1992. PMC 206108. PMID 1350777.
  10. ^ Braig K, Otwinowski Z, Hegde R, Boisvert DC, Joachimiak A, Horwich AL, Sigler PB (oktobar 1994). "The crystal structure of the bacterial chaperonin GroEL at 2.8 A". Nature. 371 (6498): 578–86. doi:10.1038/371578a0. PMID 7935790.
  11. ^ Zang Y, Jin M, Wang H, Cui Z, Kong L, Liu C, Cong Y (decembar 2016). "Staggered ATP binding mechanism of eukaryotic chaperonin TRiC (CCT) revealed through high-resolution cryo-EM". Nature Structural & Molecular Biology. Springer Science and Business Media LLC. 23 (12): 1083–1091. doi:10.1038/nsmb.3309. PMID 27775711.
  12. ^ Kusmierczyk AR, Martin J (maj 2003). "Nucleotide-dependent protein folding in the type II chaperonin from the mesophilic archaeon Methanococcus maripaludis". The Biochemical Journal. 371 (Pt 3): 669–73. doi:10.1042/BJ20030230. PMC 1223359. PMID 12628000.
  13. ^ Bracher A, Paul SS, Wang H, Wischnewski N, Hartl FU, Hayer-Hartl M (27. 4. 2020). "Structure and conformational cycle of a bacteriophage-encoded chaperonin". PLOS ONE. 15 (4): e0230090. Bibcode:2020PLoSO..1530090B. doi:10.1371/journal.pone.0230090. PMC 7185714. PMID 32339190.
  14. ^ Hartl FU, Hayer-Hartl M (juni 2009). "Converging concepts of protein folding in vitro and in vivo". Nature Structural & Molecular Biology. 16 (6): 574–81. doi:10.1038/nsmb.1591. PMID 19491934.
  15. ^ Apetri AC, Horwich AL (novembar 2008). "Chaperonin chamber accelerates protein folding through passive action of preventing aggregation". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (45): 17351–5. Bibcode:2008PNAS..10517351A. doi:10.1073/pnas.0809794105. PMC 2579888. PMID 18987317.
  16. ^ Kmiecik S, Kolinski A (juli 2011). "Simulation of chaperonin effect on protein folding: a shift from nucleation-condensation to framework mechanism". Journal of the American Chemical Society. 133 (26): 10283–9. doi:10.1021/ja203275f. PMC 3132998. PMID 21618995.
  17. ^ Chakraborty K, Chatila M, Sinha J, Shi Q, Poschner BC, Sikor M, et al. (juli 2010). "Chaperonin-catalyzed rescue of kinetically trapped states in protein folding". Cell. 142 (1): 112–22. doi:10.1016/j.cell.2010.05.027. PMID 20603018.
  18. ^ Todd MJ, Lorimer GH, Thirumalai D (april 1996). "Chaperonin-facilitated protein folding: optimization of rate and yield by an iterative annealing mechanism". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (9): 4030–5. Bibcode:1996PNAS...93.4030T. doi:10.1073/pnas.93.9.4030. PMC 39481. PMID 8633011.
  19. ^ Snustad DP (august 1968). "Dominance interactions in Escherichia coli cells mixedly infected with bacteriophage T4D wild-type and amber mutants and their possible implications as to type of gene-product function: catalytic vs. stoichiometric". Virology. 35 (4): 550–63. doi:10.1016/0042-6822(68)90285-7. PMID 4878023.
  20. ^ Marusich EI, Kurochkina LP, Mesyanzhinov VV (april 1998). "Chaperones in bacteriophage T4 assembly". Biochemistry (Moscow). 63 (4): 399–406. PMID 9556522.
  21. ^ Bukau B, Horwich AL (februar 1998). "The Hsp70 and Hsp60 chaperone machines". Cell. 92 (3): 351–66. doi:10.1016/S0092-8674(00)80928-9. PMID 9476895.
  22. ^ Hindersson P, Høiby N, Bangsborg J (januar 1991). "Sequence analysis of the Legionella micdadei groELS operon". FEMS Microbiology Letters. 61 (1): 31–8. doi:10.1111/j.1574-6968.1991.tb04317.x. PMID 1672279.
  23. ^ Gor D, Mayfield JE (februar 1992). "Cloning and nucleotide sequence of the Brucella abortus groE operon". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Structure and Expression. 1130 (1): 120–2. doi:10.1016/0167-4781(92)90476-g. PMID 1347461.

Vanjski linkovi

[uredi | uredi izvor]