Undersøgelse demonstrerer tunbarheden af ​​en molekylær chaperone

I årtier, molekylærbiologer, der studerer en klasse af molekylære chaperoner kendt som varmechokproteiner (Hsp70s), har påberåbt sig de Hsp70'er, der findes i bakterier, som modelsystemet. Nu rapporterer en af ​​verdens eksperter i molekylet og hendes team, at deres undersøgelse af, om Hsp'er fra pattedyrsceller opfører sig som dem i bakterier, afslører "nøgle evolutionære variationer" mellem dem.

Lila Gierasch, en ekspert i Hsp70s ved University of Massachusetts Amherst, med sit forskerhold, rapporterer, at Hsp70'er fra pattedyrsceller opfører sig helt anderledes end bakterielle Hsp70'er. På grund af de vigtige roller Hsp70'er spiller i proteinfejlfoldningssygdomme såsom cancer og neurodegenerative sygdomme, de nye resultater "vil have en stor indflydelse på, hvordan vi tænker om Hsp70s, " hun siger.

Som Gierasch påpeger, "Vi har stolet på den bakterielle version af Hsp70s til at studere så længe, vi tænkte, at det var på tide at spørge, om eukaryote Hsp70'er opfører sig som dem i bakterier eller ej. Trods alt, det er ikke så overraskende, at de kan være anderledes, fordi bakterier er så strømlinede og har mindre funktionel kompleksitet end eukaryoter." Molekylære chaperoner hjælper celler med at opretholde sunde proteiner ved at hjælpe nysyntetiserede proteiner med at folde sig til deres funktionelle strukturer og ved at beskytte celler mod stress som varme chok, som skader proteiner, tilføjer hun.

"Jeg vil gerne understrege, at det, vi lærte i bakterier, er helt afgørende for at forstå de mere sofistikerede pattedyrchaperone-familiemedlemmer. Vi har dissekeret arkitekturen af ​​bakterien Hsp70 og relateret den til dens funktionelle strukturelle ændringer. Vi vidste vigtigheden af ​​nøglegrænseflader mellem funktionelle domæner. Vi bemærkede, at der var udbredte evolutionære variationer i disse grænseflader i pattedyr Hsp70'erne. Vi postulerede, at disse variationer ville blive afspejlet i funktionel diversificering."

Detaljer om dette arbejde finansieret af NIH's Maximizing Investigators' Research Awards-program vises i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Gieraschs medforfattere inkluderer postdoc-forsker Wenli Meng, forskningsassistent Eugenia Clerico og en bachelor, Natalie McArthur, nu kandidatstuderende ved Columbia.

Gierasch forklarer, at de alsidige chaperonmolekyler, kendt som universelle værktøjer til cellulær proteinfoldning, interagerer med mange forskellige typer protein og er involveret i mange cellulære funktioner. Hsp70'er hjælper proteiner med at folde, at translokere over membraner, at samle til komplekser, at blive målrettet for nedbrydning, og for at undgå skadelig fejlfoldning og aggregering. De er tænkt som hubs i cellens fint afbalancerede proteinkvalitetskontrolnetværk med god grund, bemærker hun.

Forskerne påpeger, at Hsp70'er udfører disse mange og varierede funktioner ved en konserveret mekanisme, der er afhængig af cyklusser af nukleotidmoduleret binding og frigivelse af deres klientproteiner, en proces, Gierasch refererer til som "domæne docking og frigørelse." For at undersøge cyklusserne af domæne-docking og frigørelse af både eukaryote og bakterielle Hsp'er i fine detaljer, Gierasch og kolleger brugte domænedissektionsteknikker, biokemiske assays og specialiserede nuklear magnetisk resonansspektrometri eksperimenter.

De rapporterer at finde "betydelige forskelle" mellem de bakterielle og eukaryote chaperoners funktion, især, at den bakterielle Hsp70 favoriserer en tilstand, hvor de to domæner er "intimt docket betydeligt mere" sammenlignet med de mere løst bundne eukaryote chaperoner. Gierasch siger, "I bakteriecellen, chaperonen kan holde på sin klient længere. Forestil dig hænder, der holder et reb. I den eukaryote celle ser det ud som om hånden griber forbigående og giver slip hele tiden, mens molekylet i bakteriecellen holder fast det meste af tiden."

Molekylærbiologen spekulerer i, at det kan være evolutionært fordelagtigt for eukaryote celler at have udviklet en mere fleksibel bindingsteknik, der er åben for at aflevere sine klienter til nedstrømsprocesser hurtigere og mere smidigt. "Det kan være, at bakteriefunktionen er mere specifik og smallere, domineret af biosyntese af protein og yde hjælp til foldning. Men den eukaryote Hsp70 kan være forpligtet til at give sin klient videre til partnere i enhver af de funktioner, den deltager i - Hsp70'en bør ikke holde for stramt. Hvis klienten opholder sig i en Hsp70 for længe, det vil ikke blive videregivet til næste proces, " påpeger Gierasch.

"Disse resultater understreger tunerbarheden af ​​Hsp70-funktioner ved modulering af allosteriske grænseflader gennem evolutionær diversificering, " siger forfatterne, "og også foreslå steder, hvor bindingen af ​​små molekyle modulatorer kunne påvirke Hsp70 funktion." Disse indsigter skulle hjælpe forskere med at forstå mekanismen bag Hsp70 funktionelle mangfoldigheder og designe specifikke små-molekyle Hsp70 modulatorer, tilføjer de.

At kunne "tune" Hsp70s har længe været et mål for medicinske forskere, der søger måder at behandle sygdomme som kræft og neurologiske lidelser. Som Gierasch forklarer, imidlertid, chaperonemolekylerne er så tæt involveret i så mange celleprocesser, at forsøg på at modulere en af ​​dem vil påvirke andre processer.

"Hvis du ønsker at helbrede kræft, vil du måske hæmme Hsp70s, " bemærker hun, "men hvis du ønsker en terapi for Alzheimers, som er en proteinfoldningssygdom, du vil aktivere dem. Vores nye dybere forståelse af de eukaryote Hsp70'er kan tilbyde en vej til at modulere dem med mere specificitet. Det kan give os evnen til at isolere og regulere en bestemt funktion."