Šaperonid

Šaperonideks (rööpvariant on tšaperon) 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. Enamik šaperonidest jaotatakse niinimetatud kuuma šoki valkude klassi (ingl heat shock proteins) põhjusel, et nende sünteesi initsieerib 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. 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. Endoplasmaatilises retiikulumis (ER) on üheks levinumaks 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. 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. 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. 2015. aasta 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. Vastupidi 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. 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. 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. 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 (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 eelliste neurodegeneratiivsete haigustega nagu Creutzfeldt-Jakobi tõbi, Alzheimeri tõbi, Parkinsoni tõbi ja Huntingtoni tõbi. Sulev Kuuse, Toivo Maimets (2023). Rakubioloogia. Tartu Ülikooli Kirjastus. lk 151 Molecular Biology of the Gene / James D. Watson, Cold Spring Harbor Laboratory, Tania A. Baker, Massachusetts Institute of Technology, Alexander Gann, Cold Spring Harbor Laboratory, Michael Levine, University of California, Berkeley, Richard Losick, Harvard University. Seventh edition; 253–254 Molecular biology of the cell / Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, David Morgan, Martin Ra, Keith Roberts, Peter Walter ; with problems by John Wilson, Tim Hunt. Sixth edition; 354–356 Hoffmann, J. R. H.; Linke, K.; Graf, P. C.; Lilie, H.; Jakob, U. (detsember 2003). "Identification of a redox-regulated chaperone network". The EMBO Journal. 23 (1): 160–168. DOI:10.1038/sj.emboj.7600016. PMC 1271656. PMID 14685279. Ellis RJ, van der Vies SM (juuli 1991). "Molecular chaperones". Annu. Rev. Biochem. 60: 321–47. DOI:10.1146/annurev.bi.60.070191.001541. PMID 1679318. Ting J, Lee AS (1988). "Human gene encoding the 78,000-dalton glucose-regulated protein and its pseudogene: structure, conservation, and regulation". DNA. 7 (4): 275–86. DOI:10.1089/dna.1988.7.275. PMID 2840249. Hendershot LM, Valentine VA, Lee AS, Morris SW, Shapiro DN (1994). "Localization of the gene encoding human BiP/GRP78, the endoplasmic reticulum cognate of the HSP70 family, to chromosome 9q34". Genomics. 20 (2): 281–4. DOI:10.1006/geno.1994.1166. PMID 8020977. Brocchieri L, Conway de Macario E, Macario AJ (23. jaanuar 2008). "hsp70 genes in the human genome: Conservation and differentiation patterns predict a wide array of overlapping and specialized functions". BMC Evolutionary Biology. 8 (1): 19. DOI:10.1186/1471-2148-8-19. PMC 2266713. PMID 18215318. Wang J, Pareja KA, Kaiser CA, Sevier CS (22. juuli 2014). "Redox signaling via the molecular chaperone BiP protects cells against endoplasmic reticulum-derived oxidative stress". eLife. 3: e03496. DOI:10.7554/eLife.03496. PMC 4132286. PMID 25053742. Wang J, Sevier CS (2016). "Formation and Reversibility of BiP Cysteine Oxidation Facilitates Cell Survival During and Post Oxidative Stress". The Journal of Biological Chemistry. 291: 7541–57. DOI:10.1074/jbc.M115.694810. PMID 26865632. Wei PC, Hsieh YH, Su MI, Jiang X, Hsu PH, Lo WT, Weng JY, Jeng YM, Wang JM, Chen PL, Chang YC, Lee KF, Tsai MD, Shew JY, Lee WH (2012). "Loss of the oxidative stress sensor NPGPx compromises GRP78 chaperone activity and induces systemic disease". Molecular Cell. 48 (5): 747–59. DOI:10.1016/j.molcel.2012.10.007. PMC 3582359. PMID 23123197. Yang J, Nune M, Zong Y, Zhou L, Liu Q (2015). "Close and Allosteric Opening of the Polypeptide-Binding Site in a Human Hsp70 Chaperone BiP". Structure. 23 (12): 2191–203. DOI:10.1016/j.str.2015.10.012. PMC 4680848. PMID 26655470. Fairbrother WJ, Champe MA, Christinger HW, Keyt BA, Starovasnik MA (1997). "1H, 13C, and 15N backbone assignment and secondary structure of the receptor-binding domain of vascular endothelial growth factor". Protein Science. 6 (10): 2250–60. DOI:10.1002/pro.5560061020. PMC 2143562. PMID 9336848. Mayer MP, Bukau B (2005). "Hsp70 chaperones: cellular functions and molecular mechanism". Cellular and Molecular Life Sciences. 62 (6): 670–84. DOI:10.1007/s00018-004-4464-6. PMC 2773841. PMID 15770419. Wisniewska M, Karlberg T, Lehtiö L, Johansson I, Kotenyova T, Moche M, Schüler H (1. jaanuar 2010). "Crystal structures of the ATPase domains of four human Hsp70 isoforms: HSPA1L/Hsp70-hom, HSPA2/Hsp70-2, HSPA6/Hsp70B', and HSPA5/BiP/GRP78". PloS One. 5 (1): e8625. DOI:10.1371/journal.pone.0008625. PMC 2803158. PMID 20072699. Zhuravleva A, Gierasch LM (2015). "Substrate-binding domain conformational dynamics mediate Hsp70 allostery". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (22): E2865-73. DOI:10.1073/pnas.1506692112. PMC 4460500. PMID 26038563. Leu JI, Zhang P, Murphy ME, Marmorstein R, George DL (2014). "Structural basis for the inhibition of HSP70 and DnaK chaperones by small-molecule targeting of a C-terminal allosteric pocket". ACS Chemical Biology. 9 (11): 2508–16. DOI:10.1021/cb500236y. PMC 4241170. PMID 25148104. Liebscher M, Roujeinikova A (2009). "Allosteric coupling between the lid and interdomain linker in DnaK revealed by inhibitor binding studies". Journal of Bacteriology. 191 (5): 1456–62. DOI:10.1128/JB.01131-08. PMC 2648196. PMID 19103929. Mayer M, Kies U, Kammermeier R, Buchner J (2000). "BiP and PDI cooperate in the oxidative folding of antibodies in vitro". The Journal of Biological Chemistry. 275 (38): 29421–5. DOI:10.1074/jbc.M002655200. PMID 10893409. Behnke J, Feige MJ, Hendershot LM (2015). "BiP and its nucleotide exchange factors Grp170 and Sil1: mechanisms of action and biological functions". Journal of Molecular Biology. Molecular Chaperones and Protein Quality Control (Part I). 427 (7): 1589–608. DOI:10.1016/j.jmb.2015.02.011. PMC 4356644. PMID 25698114. Booth L, Roberts JL, Cash DR, Tavallai S, Jean S, Fidanza A, Cruz-Luna T, Siembiba P, Cycon KA, Cornelissen CN, Dent P (juuli 2015). "GRP78/BiP/HSPA5/Dna K is a universal therapeutic target for human disease". Journal of Cellular Physiology. 230 (7): 1661–76. DOI:10.1002/jcp.24919. PMC 4402027. PMID 25546329. Panayi GS, Corrigall VM, Henderson B (august 2004). "Stress cytokines: pivotal proteins in immune regulatory networks; Opinion". Current Opinion in Immunology. 16 (4): 531–4. DOI:10.1016/j.coi.2004.05.017. PMID 15245751. Shields AM, Panayi GS, Corrigall VM (september 2011). "Resolution-associated molecular patterns (RAMP): RAMParts defending immunological homeostasis?". Clinical and Experimental Immunology. 165 (3): 292–300. DOI:10.1111/j.1365-2249.2011.04433.x. PMC 3170978. PMID 21671907. Corrigall VM, Bodman-Smith MD, Brunst M, Cornell H, Panayi GS (aprill 2004). "Inhibition of antigen-presenting cell function and stimulation of human peripheral blood mononuclear cells to express an antiinflammatory cytokine profile by the stress protein BiP: relevance to the treatment of inflammatory arthritis". Arthritis and Rheumatism. 50 (4): 1164–71. DOI:10.1002/art.20134. PMID 15077298. Corrigall VM, Vittecoq O, Panayi GS (oktoober 2009). "Binding immunoglobulin protein-treated peripheral blood monocyte-derived dendritic cells are refractory to maturation and induce regulatory T-cell development". Immunology. 128 (2): 218–26. DOI:10.1111/j.1365-2567.2009.03103.x. PMC 2767311. PMID 19740378. Roe ND, Ren J (märts 2013). "Oxidative activation of Ca(2+)/calmodulin-activated kinase II mediates ER stress-induced cardiac dysfunction and apoptosis". American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 304 (6): H828-39. DOI:10.1152/ajpheart.00752.2012. PMC 3602775. PMID 23316062. Okada K, Minamino T, Tsukamoto Y, Liao Y, Tsukamoto O, Takashima S, Hirata A, Fujita M, Nagamachi Y, Nakatani T, Yutani C, Ozawa K, Ogawa S, Tomoike H, Hori M, Kitakaze M (august 2004). "Prolonged endoplasmic reticulum stress in hypertrophic and failing heart after aortic constriction: possible contribution of endoplasmic reticulum stress to cardiac myocyte apoptosis". Circulation. 110 (6): 705–12. DOI:10.1161/01.CIR.0000137836.95625.D4. PMID 15289376. Ni M, Lee AS (juuli 2007). "ER chaperones in mammalian development and human diseases". FEBS Letters. 581 (19): 3641–51. DOI:10.1016/j.febslet.2007.04.045. PMC 2040386. PMID 17481612. Zhao L, Longo-Guess C, Harris BS, Lee JW, Ackerman SL (september 2005). "Protein accumulation and neurodegeneration in the woozy mutant mouse is caused by disruption of SIL1, a cochaperone of BiP". Nature Genetics. 37 (9): 974–9. DOI:10.1038/ng1620. PMID 16116427. Anttonen AK, Mahjneh I, Hämäläinen RH, Lagier-Tourenne C, Kopra O, Waris L, Anttonen M, Joensuu T, Kalimo H, Paetau A, Tranebjaerg L, Chaigne D, Koenig M, Eeg-Olofsson O, Udd B, Somer M, Somer H, Lehesjoki AE (detsember 2005). "The gene disrupted in Marinesco-Sjögren syndrome encodes SIL1, an HSPA5 cochaperone". Nature Genetics. 37 (12): 1309–11. DOI:10.1038/ng1677. PMID 16282978. Kudo T, Kanemoto S, Hara H, Morimoto N, Morihara T, Kimura R, Tabira T, Imaizumi K, Takeda M (veebruar 2008). "A molecular chaperone inducer protects neurons from ER stress". Cell Death and Differentiation. 15 (2): 364–75. DOI:10.1038/sj.cdd.4402276. PMID 18049481. "Peter Walter's short talk: Unfolding the UPR". Originaali arhiivikoopia seisuga 12. juuli 2017. Vaadatud 25. oktoobril 2016. Kasutatud: 31.oktoober 2016