Šaperonid

Šaperonideks ehk tugivalkudeks nimetatakse valke, mille funktsioon on abistada erinevate makromolekulide õigesti kokkuvoltumist või lahtivoltumist. Valgud on rakkudes funktsionaalsed alles siis, kui neil on õige konformatsioon. Seega on šaperonidel tähtis ülesanne hoida ära vastsünteesitud polüpeptiidide omavaheline agregeerumine ning seeläbi takistada mittefunktsionaalsete ja toksiliste struktuuride teket rakus.
Šaperonid võivad lahti voltida valesti agregeerunud valke, et anda neile n-ö uus võimalus õige konformatsiooni saavutamiseks. Näiteks aitavad šaperonid rakutuumas paiknevate kromosoomide õige struktuuri tekkimist. Täpsemalt osalevad šaperonid histoonide ja DNA kompleksi moodustamises, mida nimetatakse nukleosoomiks. Šaperonide põhiliseks substraadiks on rakus siiski valgud.
Šaperonide funktsiooni saab lihtsustatult jagada kaheks. On šaperonid, mis toetavad substraadi õige konformatsiooni tekkimist, kasutades selleks ära ATP-d ehk omades ATP-aaset aktiivsust. Sellisteks võib lugeda šaperone nagu GroEL/GroES või DnaK/DnaJ/GrpE. Teine grupp šaperone on niinimetatud hoidjad (ingl holdases), mis seostuvad voltuvate makromolekulide vaheproduktidega, takistades seeläbi nende agregatsiooni. Sellise omadusega on näiteks Hsp33.

Klassifikatsioon

Enamik šaperonidest jaotatakse niinimetatud kuuma šoki valkude klassi (ingl heat shock proteins) põhjusel, et nende sünteesi initseerib temperatuuri tõus või muu rakuline stress. Siinkohal on heaks näiteks järsult tekkinud vajadus toota suures koguses valku, mistõttu on vaja ka tugivalke, et äsja sünteesitud valgud omandaksid õige struktuuri ja seeläbi oleksid organismis funktsionaalsed.
Kuuma šoki valkude klassi kuuluvad šaperonid jagatakse nende molekulmasside (daltonites) alusel perekondadesse, näiteks perekonnad hsp60 või hsp70. Tuleb rõhutada, et sama perekonda esindavad šaperonid võivad töötada eri organellides ja erineda üksteisest märkimisväärselt. Näiteks mitokondritel on enda hsp60 ja hsp70 perekonda kuuluvad šaperonid, mis erinevad tsütosoolis leiduvatest hsp60 ja hsp70 šaperonidest.

Üldine mehhanism

Šaperonid on spetsiifiliselt valkude valet konformatsiooni äratundvad abivalgud. Üks mehhanism, kuidas šaperonid enda substraadid üles leiavad, peitub hüdrofoobsete ja hüdrofiilsete domeenide äratundmises. Nimelt peituvad korrektselt kokkuvoltunud valkudel hüdrofoobsed osad enamasti struktuuri sisemusse ja hüdrofiilsed osad katavad väliskihi. Kui mittekorrektset struktuuri omava valgu hüdrofoobsed osad asuvad väljaspool, interakteerub šaperon enda hüdrofoobse domeeniga substraadi külge.

Siduv immunoglobuliinne valk (BiP)

Endoplasmaatilises retiikulumis (ER) on üheks enamlevinumaks šaperoniks siduv immunoglobuliinne valk (BiP) (ingl binding immunoglobulin protein), tuntud ka kui 78kDa glükoosi poolt reguleeritud valk (GRP-78) (ingl glucose-regulated protein) või kuuma šhoki 70kDa valk 5 (HSPA5) (ingl heat shock 70kDa protein 5). BiP valku kodeerib inimestel HSPA5 geen. BiP on oluline just seetõttu, et ta seondub vastsünteesitud valkudega, mis on sisenenud ER-i, ja hoiab neid stabiilses olekus edasisteks voltimisteks ja oligomeriseerumisteks.
Samuti on BiP-l oluline roll valkude translokatsiooni protsessides, eriti proteosoomidesse degradatsiooni suunatud valkude transpordis üle ER-i membraani. BiP-i ekspressioon on pidev igas kasvutingimuses, kuid on märgatud, et ekspressioon tõuseb märgatavalt, kui ER-is tekib mittevoltunud valkude akumulatsioon.
BiP on tugevalt konserveerunud valk kõigis eukarüootides. Samuti on BiP ekspreseeritud kõigis inimese kudedes. Inimese BiP valgus on tugevalt konserveerunud kaks tsüsteiini, mis läbivad post-translatsioonilised modifikatsioonid nii pärmi kui ka imetajate rakkudes. Pärmi rakkudes on näidatud, et N-terminaalne tsüsteiin sulfenülaaditakse ja glutatioonülaaditakse oksüdatiivse stressi ajal. Mõlemad eelpool mainitud modifikatsioonid parandavad BiP-i võimet takistada valkude agregatsiooni. Hiirte rakkudes moodustavad kaks konserveerunud tsüsteiini disulfiidsilla, mis parandab BiP-i seondumist denatureeritud valkudega ehk valkudega, mis ei oma õiget konformatsiooni.

Struktuur

BiP koosneb kahest funktsionaalsest domeenist: nukleotiidi siduv domeen (NBD) (ingl nucleotide-binding domain) ja substraati siduv domeen (SBD) (ingl substrate-binding domain). NBD seob ja hüdrolüüsib ATP-d, SBD seob polüpeptiide.
NBD koosneb kahest suurest globulaarsest aladomeenist I ja II ning need omakorda on jagatud kaheks väikseks aladomeeniks A ja B. Kõiki aladomeene eraldab lõhe, kuhu seondub nukleotiid, üks Mg²⁺ ja kaks K⁺ iooni, mis ühendavad kõik neli IA, IB, IIA ja IIB aladomeeni kokku.
SBD domeen on jagatud kaheks aladomeeniks SBDα ja SBDβ. SBDβ on oma olemuselt tasku, kuhu substraat saab siseneda, ja SBDα on helikaalne kaas, mis sulgeb SBDβ tasku, kui sinna on sisenenud substraat. NBD ja SBD domeene ühendab linker-ala.

Mehhanism

BiP aktiivsus on reguleeritud allosteerilise ATPaas tsükliga. Nimelt, kui ATP on seondunud NBD-ga, siis SBDα kaas on avatud ja SBD domeen tervikuna on vähese afiinsusega substraadi vastu. ATP hüdrolüüsil on SBD-ga seondunud nüüd ADP, SBDα kaas sulgub ja substraat jääb taskusse. BiP kaitseb sellisel moel substraati enneaegse voltumise ja agregatsiooni eest. ADP vahetusel ATP vastu SBDα kaas avaneb, peidus hoitud substraat saab SBDβ taskust väljuda ja on vaba edasisteks voltumisteks või oligomeriseerumiseks. ATPaas tsüklit võivad oluliselt parandada disulfiid isomeraas (PDI) (ingl protein disulfide isomerase) ja BiP-i košaperonid. Nukleotiidi siduvad faktorid (NEFs) (ingl nucleotide binding factors) hõlbustavad ATP seondumist pärast ADP vabanemist ja J valgud (ingl J proteins) soodustavad ATP hüdrolüüsi.

Šaperonide kliiniline olulisus siduva immunoglobuliinse valgu näitel

2015 a. uurimuses leiti, et BiP-i prokarüootsed ortoloogid on heaks sihtmärgiks antibiootikumide arendamisel, sest need interakteeruvad võtmetähtsust omavate valkudega nagu RecA, mis on bakteri DNA replikatsioonis osalev elutähtis valk. Vastupidiselt bakteritele pole viirustel enda BiP-i analooge leitud. Nemad kasutavad peremeesraku BiP-i enda valkude õigeks voltimiseks ja stimuleerivad BiP-i ekspressiooni, et takistada ER-i stressist tulenevat peremeesraku apoptoosi.

Autoimmuunhaigused

Nagu paljudel stressi ja kuumuse šoki valkudel on ka BiP-l immunoloogiline aktiivsus, kui ta vabastatakse rakust ekstratsellulaarsesse ruumi. Täpsemalt tugevdab BiP immuunsüsteemis põletikuvastaseid signaale ja aitab seeläbi põletiku alandada. On näidatud, et BiP seondub monotsüüdi pinnal oleva retseptoriga ja seeläbi indutseerib põletikuvastaste tsütokiinide sekretsiooni. Lisaks alandab BiP T-lümfotsüütide aktivatsiooniks vajalike kriitiliste molekulide tootmist ja reguleerib monotsüüdi diferentseerumise rada dendriitrakuks. Täpsemad BiP-i immunoloogilise aktiivsuse mehhanismid pole teada.

Südame ja veresoonkonnahaigused

BiP-i ülesregulatsiooni on seostatud ER-i stressi indutseeritud südame väärtalitlusega ja dilatiivse kardiomüopaatiaga. Lisaks arvatakse, et BiP on võimeline aeglustama ateroskleroosi arengut, leevendades homotsüsteiinide poolt indutseeritud ER-i stressi, vähendades nii vaskulaarsete endoteelirakkude apoptoosi ja inhibeerides geene, mis vastutavad kolesterooli ja triglütseriidide biosünteesi eest. Kõik eelmainitud sündmused omavad olulist rolli aterosklerootiliste naastude väljakujunemisel.

Neurodegeneratiivsed haigused

BiP ennetab ER-i stressi poolt indutseeritud neuronite surma, takistades valesti voltunud valkude akumuleerumist rakku ja viies vale struktuuriga valgud õigesse konformatsiooni. Lisaks on leitud, et BiP-i keemiline indutseerija BIX vähendas isheemiliste hiirte peaaju infarkti.

Mittevoltunud valkude vastus

Mittevoltunud valkude vastus (UPR) on raku stressi vastus, mis väljendub endoplasmaatilises retiikulumis. See stressi vastus on konserveerunud kõigis imetajates, aga ka näiteks pärmis. UPR indutseerib rakkudes mittevoltunud või vale konformatsiooniga valgud endoplasmaatilise retiikulumi luumenis. UPR töötab valdavalt kolmeetapilises järjekorras: esiteks taastatakse raku normaalne funktsioneerimine, peatades selleks valkude translatsiooni, siis degradeeritakse teatav osa vale konformatsiooniga valgud ja seejärel aktiveeritakse vajalikud signalisatsioonirajad, et toota lisaks šaperone, mis aitaksid viia valesti voltunud valgud õigesse konformatsiooni. Kui neid eesmärke ei suudeta täita teatud aja jooksul, suunatakse rakk apoptoosi. Püsivat UPR-i kahtlustatakse seotud olevat erinevate neurodegeneratiivsete haigustega nagu Creutzfeldt-Jakobi tõbi, Alzheimeri tõbi, Parkinsoni tõbi ja Huntingtoni tõbi.