Молекулярные шаперонины и их роль в фолдинге полипептидов

Считается, что сворачивание белков небольших размеров может осуществляться котрансляционно с участием только фактора TF. Для фолдинга белков среднего размера (2560 кДа) помимо фактора TF необходима система Hsp70 и, в ряде случаев, шаперонины Hsp60, функционирующие по цис-механизму. В формировании структуры крупных мультидоменных белков участвуют шапероны всех семейств, при этом взаимодействие шаперонинов Hsp60 с белком-мишенью происходит по транс-механизму. Крайне важно подчеркнуть, что кооперация шаперонов разных семейств позволяет не только ремоделировать белки разного размера, но и преодолеть эффекты высокой концентрации растущих цепей и «молекулярной тесноты» в живой клетке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ литературных данных по структурным и биохимическим аспектам функционирования шаперонинов позволяет поставить под сомнение универсальность модели сворачивания белков во внутренней полости шаперонинов. Хотя такая изоляция сворачивающейся белковой молекулы и привлекательна с точки зрения предотвращения нежелательных контактов белков, находящихся в сильно «гидрофобных» промежуточных состояниях, однако эта модель не может объяснить многие экспериментальные факты.

Функция шаперонинов сводится к «удержанию» около себя белков, находящихся в «гидрофобных» промежуточных состояниях, и, тем самым, к уменьшению вероятности их неспецифической ассоциации. Лиганды шаперонинов понижают их сродство к ненативным полипептидным цепям, предотвращая формирование «долгоживущих» комплексов, которые невыгодны для быстрого восстановления клеточных процессов после стресса.

Можно предположить, что кольцевая олигомерная структура шаперонинов предназначена не столько для образования обширной внутренней полости, сколько для формирования множественных «гидрофобных» центров связывания, способных удерживать на себе большие молекулы денатурированных белков. Кроме того, шаперонины должны «защищать» самих себя от неспецифической ассоциации по этим «гидрофобным» центрам.

Возможно, именно поэтому они эволюционировали как большие олигомерные комплексы, сильно заряженные при нейтральных рН и обладающие хорошей растворимостью даже при больших концентрациях. Дальнейшее изучение свойств как мономерных, так и олигомерных шаперонов из различных организмов позволит более определенно выяснить механизмы участия шаперонов в процессах созревания и транспорта белковых молекул в клетке.

Молекулярные шапероны обеспечивают фолдинг примерно половины синтезирующихся внутриклеточных белков. Роль шапероновой системы в сохранности клеточного протеома особенно возрастает в условиях стресса. Шапероны различных семейств ориентированы на связывание белковых мишеней, пребывающих в различных ненативных состояниях, и, в связи с этим, характеризуются различающейся специфичностью. Так, шапероны Hsp70 взаимодействуют с белками-мишенями путем узнавания их 4−6-членных гидрофобных пептидных сегментов, а шаперонины Hsp60 узнают более структурированные гидрофобные области в мишенях, обладающих выраженной вторичной структурой. Вместе с тем, общим механизмом всех функционирующих шаперонов (кроме фактора TF и малых белков теплового шока) служит многократное повторение этапов регулируемого гидролизом АТР связывания/высвобождения нестабильных конформеров белковых мишеней.

1. Марченков В. В., Марченко Н. Ю., Марченкова С. Ю., Семисотнов Г. В. // Успехи биологической химии. ;

2006. — Т. 46. — C. 279−302.

2. Мельников Э. Э., Ротанова Т. В. Молекулярные шапероны // Биоорганическая химия. — 2010. — Т.36 (1). — C. 5−14.

3. Azia A., Unger R., Horovitz A. What distinguishes GroEL substrates from other Escherichia coli proteins? // FEBS Journal. — 2012. — Vol.

279. — P. 543−550.

4. Bochkareva E. S., L issin N. M., G irshovich A. S., T ransient association of newly synthesized unfolded proteins with the heat-shock GroEL protein // Nature. ;

1988. — V ol. 336. — P.254−257.

5. Chen L., Sigler P. B. The Crystal Structure of a GroEL / Peptide Complex: Plasticity as a Basis for Substrate Diversity // Cell. — 1996. — Vol.

99. — P. 757−768.

6. Dobson C. M. P rinciples of protein folding, misfolding and aggregation // Semin. C ell.Dev. B iol.

— 2004. — Vol.

15. — P.3−16.

7. Clark G. W., T illier E. R. L oss and gain of GroEL in the Mollicutes // Biochem. C ell Biol.

— 2010. — Vol.

88. — P. 185−194.

8. Ellis J., Proteins as molecular chaperones // Nature. — 1987. — Vol.328 (6129). — P.378−379.

9. Ewalt K. L., H endrick J. P., H oury W. A., H artl F.

U. I n vivo observation of polypeptide flux through the bacterial chaperonin system // Cell. — 1997. — Vol.

90. — P. 491−500.

10. F eltham J. L., G.

ierasch L. M. G roEL-Substrate Interactions: Molding the Fold, or Folding the Mold? // C ell.

— 2000. — V ol. 100. — P.193−196.

11. F enton W. A., H orwich A. L., G roEL-mediated protein folding // Protein Sci. ;

1997. — V ol. 6. — P. 743−760.

12. Gething M. J., Sambrook J., Protein folding in the cell // Nature. — 1992. — Vol.

355. — P. 33−45.

13. G omez-Puertas P., Martin-Benito J., Carrascosa J. L., W illison K. R., V alpuesta J.

M. T he substrate recognition mechanisms in chaperonins — Review // Journal of Molecular Recognition. — 2004.

— V ol. 17. — P. 85−94.

14. Grallert H., Buchner J. Structural View of the GroEL Chaperone Cycle // Journal of Structural Biology. — 2001. — Vol.

135. — P. 95−103.

15. H ayes S. A., D ice J. F. R.

oles of Molecular Chaperones in Protein Degradation // The Journal of Cell Biology. — 1996. — Vol.

132. — P. 255−258.

16. H emmingsen S. M., W oolford C., van der Vies S. M., T illy K., Dennis D.

T., G eorgopoulos C. P., H endrix R. W., E llis R.

J. H omologous plant and bacterial proteins chaperone oligomeric protein assembly // Nature. — 1988.

— V ol. 333. — P. 330−334.

17. H endrick J. P. H artl F. U. T he role of molecular chaperones in protein folding // FASEB J. ;

1995. — V ol. 9(15). — P.1559−1569.

18. H orwich A. L., F arr G. W., F.

enton W. A. G roEL-GroES-Mediated Protein Folding // Chemical Reviews. — 2006. — V ol. 106.

— P. 1917;1930.

19. J ewett A. I., S hea J. E. R econciling theories of chaperonin accelerated folding with experimental evidence // Cell. M.

ol. L ife Science. — 2010. — Vol.

67. — P. 255−276.

20. Kusukawa N., Yura T., Ueguchi C., Akiyma Y., Ito K., Effects of mutations in heat-shock genes groES and groEL on protein export in Escherichia-coli // EMBO J. — 1989. — Vol.8(11). — P. 3517−3521.

21. Lin Z., Rye H. S. GroEL-Mediated Protein Folding: Making the Impossible, Possible // Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. — 2006. — Vol.

41. — P. 211−239.

22. L indquist S., Craig E.A., The heat-shock proteins // Annu. R ev. G.

enet. — 1988. — Vol.

22. — P. 631−77.

23. L und P.A. Multiple chaperonins in bacteriawhy so many? // FEMS M icrobiol Rev. — 2009.

— V ol. 33. — P. 785−800.

24. M archenkov V. V., S emisotnov G.

V. G roEL. A ssisted Protein Folding: Does It Occur Within the Chaperonin Inner Cavity?

// I nternational Journal of Molecular Sciences. — 2009. — V.

ol. 10. — P. 2066;2083.

25. P aul S., Punam S., Chaudhuri T. K. C haperone-assisted refolding of Escherichia coli maltodextrin glucosidase // FEBS Journal. — 2007.

— V ol. 274. — P. 6000−6010.

26. R adford S. E. G roEL: More than Just a Folding Cage // Cell. — 2006.

— V ol. 125. — P. 831−833.

27. S parrer H., Lilie H., Buchner J. D.

ynamics of the GroEL-Protein Complex: Effects of Nucleotides and Folding Mutants // J. M ol. B.

iol. — 1996. — Vol.

258. — P. 74−87.

28. T hirumalai D., Lorimer G. H. C haperonin — mediated protein folding // Annu. R ev. B.

iophys. B iomol. S truct. — 2001. — Vol.

30. -P. 245−269.

29. V iitanen P. V., D onaldson G. K., G.

eorge H. L., L ubben T. H., G atenby A. A. C.

omplex interactions between the chaperonin 60 molecular chaperone and dihydrofolate reductase // Biochemistry. — 1991. — V ol.

30 (40). — P. 9716−9723.

30. W alter S. S tructure and function of the GroEL chaperone // Cell. M ol. L.

ife Sci. — 2002. -V ol.

59. — P. 1589−1597.

31. W eissman J. S., R ye H. S., F enton W. A., B.

eechem J. M., H orwich A. L. C haracterization of the Active Intermediate of a GroEL-GroES-Mediated Protein Folding Reaction // Cell. ;

1996. -V ol. 84(3). — P.481−490.