Белки теплового шока - Биологический факультет МГУ
advertisement
Белки теплового шока: участники процесса сворачивания белков и объект фармакологических воздействий Николай Борисович Гусев кафедра биохимии биологического факультета МГУ План • Проблемы, возникающие при сворачивании белка • Гипотетические механизмы функционирования шаперонов • Классификация и строение белков теплового шока • Семейство Hsp100 • Семейство Hsp90 • Семейство Hsp70/40, Hsp110 • Семейство Hsp60 • Малые белки теплового шока • Отдельные представители семейства малых белков теплового шока и их участие в различных клеточных процессах Энергетический профиль сворачивания полипептидной цепи и участие шаперонов в сворачивании белков Hartl et al., Nature 475, 324-332, 2011 Различные механизмы сворачивания полипептидных цепей Посттрансляционные изменения белков Niforou et al. RedoxBiology , 2, 2014, 323-332 Белки могут подвергаться энзиматическим потстрансляционным модификациям (фосфорилирование, ацетилирование, метилирование, АDPрибозилирование и т.д.) Как правило, такие модификации необходимы для регуляции активности белков. Помимо этого белки с возрастом могут подвергаться неэнзиматическим модификациям (таким как гликирование), что может приводить к денатурации и агрегации. Механизмы клеточного протеостаза В полостях ретикулума белки теплового шока способствуют правильному сворачиванию вновь синтезируемых белков и обеспечивают их транспорт в цитозоль. Неправильно свернутые белки подвергаются деградации. Попав в цитозоль, не полностью свернутые белки взаимодействуют с белками теплового шока и подвергаются фолдингу или гидролизуются в автофагосомах или протеасомах. Если система защиты не справляется с этими процессами, то плохо свернутые белки образуют агрегаты в ретикулуме или в цитозоле, что может быть токсичным для клетки Основные компоненты системы протеостаза Условно выделяют два модуля – первый модуль обеспечивает контроль качества и отвечает за сворачивание по мере синтеза белка и включает в себя различные шапероны, второй модуль обеспечивает деградацию и состоит из компартментализованных протеаз, системы убиквитина и аутосом-фагосом Niforou et al. RedoxBiology , 2, 2014, 323-332 Схема возможного участия белков теплового шока (Hsp) в защите клетки от неблагоприятных воздействий Khalil et al., BBA 1816, 89, 2011 В состоянии покоя Hsp связывают соответствующие факторы трансляции (Hsf, коричневый овал). Под действием стресса накапливаются денатурированные белки (DP, синяя фигура), которые связываются с Hsp и вытесняют Hsf. Освободивший Hsf подвергается фосфорилированию, тримеризуется и связывается с определенными участками на ДНК, тем самым стимулируя синтез белков теплового шока и спасая клетку от накопления денатурированных белков. Функционирование белков теплового шока в нормальном состоянии и после различных стрессорных воздействий Khalil et al., BBA 1816, 89, 2011 Белки теплового шока стимулируют и стабилизируют различные сигнальные пути, влияют на иммуномодуляцию, и обеспечивают защиту клеток. Помимо этого они препятствуют накоплению денатурированных и неправильно свернутых белков, предотвращают апоптоз и тормозят старение Упрощенная классификация белков теплового шока эукариот Класс Примеры Кошапероны Приписываемые функции Hsp110 (HspH) Hsp110 Hsp105 Hsc70, Hsp40 AТР-зависимое освобождение белков из агрегатов Hsp90 (HspC) Hsp90 Grp94 Hsp70, p23, иммунофилины Препятствуют агрегации белков Транспорт рецепторов стероидных гормонов и протеинкиназ Hsp70 (HspA) Hsp70, Hsc70 Hsp40, Hsp90 АТР-зависимое сворачивание белков Препятствуют агрегации белков Hsp60 (HspD) Hsp60, TRiC, Hsp10 CCT АТР-зависимое сворачивание белков Препятствуют агрегации белков Hsp40 (DnaJ) Hsp40 Hsp47 Котрансляционное сворачивание белков, активируют Hsp70 sHsp (HspB) Hsp20-27 кристаллины Hsp70 Препятствуют агрегации белков Регуляция цитоскелета и сократительной активности мышц Hsp105 и ClpB белки семейства ААА+, способные разбирать агрегаты Белки семейства Hsp100 А) два подкласса отличающихся по наличию двух (класс I) или одного (подкласс II) нуклеотидсвязывающих доменов (NBD). В. Кристаллическая структура ClpB Thermus thermophilus. C Олигомерная структура ClpB. D. Кристаллическая структура HsIU. E. Олигомер HsIU. F. Комплекс HsIU с протеазой HsIV (обозначена серо-коричневым цветом) Схема строения бактериального шаперона ClpB E.coli (вид сбоку, сверху и снизу) Zolkiewsky et al., ABB 520, 1-6, 2012 Отчетливо видна гексамерная структура и два ААА+ домена в каждой из шести субъединиц. N-концевой домен обозначен красным, первый ААА+ модульзеленым, средний суперспиральный участок – фиолетовым, большой домен второго ААА+ модуля – синим, малый домен второго ААА+ домена - оранжевым. Постулируемый механизм функционирования ClpB/Hsp100 Zolkiewsky et al., ABB 520, 1-6, 2012 Сначала происходит нуклеотидзависимая ассоциация мономеров с образованием цилиндрической структуры. Далее происходит взаимодействие с агрегатами белка. Этот процесс не зависит от ко-шаперонов. Скорость лимитирующей стадией является переход в активное состояние (красная стрелка), которая зависит от присутствия кошаперонов. Эффективность переключения зависит от ориентации N-концевого домена, от ориентации центральной суперспирали и наличия кошаперонов. Если агрегат не поддается разборке, то комплекс диссоциирует. Если агрегат поддается разборке, то из цилиндра выходит денатурированная полипептидная цепь, которая либо подвергается протеолизу, либо сворачиванию под действием обычных шаперонов. Конформационные изменения в дрожжевом Hsp104 Mayer, Cell, 39, 321, 2010 Криоэлектронномикроскопическая реконструкция структуры Hsp104 с мутированным вторым ААА+ доменом Изображения получены в присутствии либо негидролизуемого аналога АТР, либо в присутствии АТР, либо в присутствии АDP. Отчетливо видно, что нуклеотид влияет на диаметр канала, по которому перемещается белок-субстрат Hsp90 и связанный с ним комплекс кошаперонов Схема строения Hsp90 A) Обозначены АТР-связывающий участок (N), центральная часть (обозначена М) и С-концевой домен, обеспечивающий димеризацию. В.Структура апоформы Hsp90. C. Структура Hsp90 со связанным АDP. D. Структура Hsp90 со связанным АТР. Схема структуры Hsp90 и гипотетический механизм его функционирования Jackson, Top Cur.Chem 328, 155, 2013 «Молекулярная гимнастика» (изменение ориентации субъединиц в зависимости от насыщения нуклеотид-связывающего центра) Hsp90 N-концевой домен показан синим цветом центральный домен – зеленым цветом, С-концевой домен, отвечающий за димеризацию, отмечен оранжевым цветом. Показана структура Hsp90 E.coli в отсутствие АТР и структура Hsp90 дрожжей в присутствии АТР Li et al., BBA 1823, 624, 2012 Постулируемый каталитический цикл Hsp90 Li et al., BBA 1823, 624, 2012 На первой стадии субстрат образует комплекс с Hsp70/Hsp40. Этот комплекс присоединяется к Hsp90 за счет взаимодействия с белком Hop. К соседнему мономеру Hsp90 прикрепляется пептидил-пролил-изомераза и при этом образуется асимметричный комплекс. К этому комплексу прикрепляется р23, что вызывает диссоциацию Hsp70 и Hop и формирование позднего (вероятно, симметричного комплекса с двумя молекулами пептидил-пролилизомеразы). После гидролиза АТР происходит освобождение свернутого белкасубстрата и диссоциация комплекса Hsp90 с остающимися кошаперонами. Возможные белки-мишени Hsp90 • • • • • Большой набор протеинкиназ, рецепторы стероидных гормонов, Широкий набор вирусных белков, включая полимеразы и белки капсид Связывая протеинкиназы, ответственные за фосфорилирование тау белка, Hsp90 опосредованно влияет на агрегацию тау и формирование амилоидов, образуемых этим белком Белок Rab11a, обеспечивающий выход синуклеина из клетки, является мишенью Hsp90, поэтому блокирование Hsp90 может препятствовать выходу синуклеина из клетки Трипаносомы (возбудители сонной болезни и болезни Чага), лейшмании (возбудители лейшманиоза) и плазмодии (возбудители малярии) содержат в своем геноме несколько копий гена Hsp90 и его аналогов. Использование ингибиторов Hsp90 способствует лечению болезней, вызываемых простейшими Потенциальные ингибиторы Hsp90, используемые в химиотерапии рака Jackson, Top Cur.Chem 328, 155, 2013 Верхняя панель. Гельданомицин (бензохинонный ансамицин из Streptomyces hygroscopius) и его производные, являющиеся аналогами АТР и блокирующими АТРазный центр Hsp90. Средняя панель. Производные пурина, выступающие ингибиторами, с связывающимися в АТР-азном центре Hsp90. Нижняя панель . Соединения, связывающиеся в С-концевой области Hsp90 и блокирующие взаимодействие Hsp90 с кошаперонами. Эпигаллокатехин-галлат является одним из компонентов зеленого чая. Белки семейства Hsp70 Схема строения Hsp70 A. В структуре белка различают нуклеотид-связывающий домен NBD, область линкера, субстрат-связывающий участок (SBD) и своеобразную «крышку» (Lid). B. Структура бактериального DnaK в комплексе с АТР. С. Закрытая конформация субстрат-связывающего центра DnaK Структурная динамика Hsp70 M.P. Mayer Cell, 39, 321, 2010 А. АТРазный цикл Hsp70 регулируемый белками, содержащими J-домен (JDP) и фактор обмена нуклеотидов (NEF). B. Структура нуклеотидсвязывающего домена (NBD)(похож на актин), связанного через линкер с субстрат-связывающим доменом (SBD). Субстрат-связывающий домен содержит бета-складчатый участок, прикрытый сверху набором спиралей. С. Структура дрожжевого Hsp110. Синим обозначен NBD, желтым –бетаскладчатый участок SBD, оранжевым – спирали SBD. D. Конформационные изменения, индуцируемые различными NEF в структуре нуклеотидсвязывающего домена Hsp70. Канонический механизм функционирование системы Hsp70/Hsp40 Комплекс Hsp40-клиент переносится на Hsp70, содержащий связанную АТР (I), Hsp40 стимулирует гидролиз АТР на Hsp70 и при этом происходит закрывание «крышки» и вероятно, сворачивание клиента (II), фактор обмена нуклеотидов способствует диссоциации ADP (III), которая замещается на АТР (IV), что приводит к открыванию «крышки» и освобождению свернутого или несвернутого клиента (V) Shiber, Ravid, Biomolecules 4, 704, 2014 Каноническая модель функционирования «машины» Hsp70 Kampinga, Craig , Nature Rev Mol. Biol.11, 579, 2010 J-белок связывает субстрат и переносит его к Hsp70 (несущим АТР), взаимодействуя с ним своим Jдоменом. Связывание субстрата и взаимодействие с J-доменом активирует АТРазу Hsp70 и сопровождается конформационными изменениями, приводящими к закрыванию «крышки». Это стабилизирует комплекс Hsp70клиентный белок и способствует изменению структуры субстрата. С этим двойным комплексом связывается фактор обмена нуклеотидов (NEF), что приводит к освобождению ADP через «заднюю дверь» активного центра и замещению ADP на АТР. Обмен нуклеотидов приводит к открыванию «крышки» и освобождению рефолдированного субстрата. Если процесс не удался, то неправильно свернутый белок вновь вступает в указанный цикл. Различные способы функционирования J-белков Kampinga, Craig , Nature Rev Mol. Biol.11, 579, 2010 а) Путь, при котором J-белок отвечает только за активацию АТРазы Hsp70, но не за связывание субстрата, b) J-белок закреплен в определенном компартменте, что правильным образом ориентирует Hsp70 и обеспечивает связывание определенных субстратов, с) классический путь, при котором J-белок обеспечивает как связывание субстрата, так и активацию АТРазы. Участие Hsp70 и Hsp40 в котрансляционном сворачивании Kampinga, Craig , Nature Rev Mol. Biol.11, 579, 2010 При сборке трансляционного комплекса с большей субъединицы рибосомы связывается специальный Jбелок DNAJC2, являющийся якорем для Hsp70(HspA8). Если этого процесса сворачивания оказывается недостаточно, то незрелая полипептидная цепь передается на находящиеся вне рибосом комплексы Hsp70-Hsp40. Участие Hsp70 и Hsp40 в протеолитической деградации убиквитинилированных белков Kampinga, Craig , Nature Rev Mol. Biol.11, 579, 2010 Специальный J-белок узнает и связывает моноубиквитинилированные белки-клиенты и передает их на Hsp70. С этим комплексом связывается новый комплекс убиквитин-лигаз (такие как CHIP), которые продолжают процесс убиквитинилирования. После обмена нуклеотидов полностью убиквитинилированный субстрат переносится в протеасомы, где подвергается полному протеолизу. Разнообразие белков семейства Hsp40 (DnaJ) болезни связанные с мутациями или недостатком указанных белков Koutras, Braun, Front. Cell Neurosci, 2014 Схема строения белка Hsp110 (дрожжевого Sse1 и Hsp110 человека) NBD, нуклеотид-связывающий участок; β домен связывает субстрат; α домен выполняет функции «крышки». На панели В показана трехмерная структура Sse1, на панели С – комплекс Sse1 с Hsp70 Схема строения и возможный механизм функционирования типичного Hsp70 и его нетипичных аналогов Hsp110 и Grp170 Shaner, Morano, Cell Stress Chaperones 12, 1 2007 На верхней панели показана схема строения типичного представителя семейства Hsp70 в структуре которого различают нуклеотидсвязывающий домен (NBD) и пептид-связывающий домен (PBD) содержащий в своем составе участок -складки и -спирали, а также его нетипичных представителе Hsp110 и Grp170. На нижней панели показано, что в составе гетеродимера нетипичные представители семейства Hsp70 могут выступать в качестве фактора, обеспечивающего обмен нуклеотидов и таким образом способствующими шаперонной активности Hsp70. Белки семейства Hsp60 Схема строения Hsp60 A. Схема первичной структуры двух семейств белков, входящих в группу Hsp60. B. Трехмерная структура мономера GroES. C.Олигомерная структура GroES. D. Трехмерная структура мономера GroEL E.coli. E. Олигомерная структура 14мера GroEL. F. Структура GroEL-GroES со связанным ADP . G. Структура мономера α-субъединицы термосомы. H. Структура 16-мера термосомы Структурные преобразования в группе I шаперонинов GroELGroES А. 7 GroES малых субъединиц окрашены синим и связаны с двумя кольцами (каждое из 7 субъединиц) GroEL. Субъединицы cis кольца окрашены красным, желтым и коричневым. Субъединицы trans кольца окрашены синим и зеленым цветом. Разными цветами окрашены экваториальный, промежуточный и апикальный домены мономеров. В. Конформационные изменения, претерпеваемые мономером GroEL при связывании АТР и GroES. Видно, что связывание АТР приводит к повороту и перемещению апикального домена и связыванию апикального домена с GroES. Молекулярные перестановки в составеGroEl/GroES по данным электронной микроскопии Сайт Helen Saibil Упрощенная схема функционирования шаперонинов GroELGroES E.R.Saibil, N.A. Ranson TIBS 27, 627, 2002 а. GroEL обладает высоким сродством к неправильно свернутому субстрату. b) АТР связывается с положительной кооперативностью в цис-кольце и отрицательной кооперативностью в транскольце. с) Быстрое связывание GroES и связывание гидрофобных участков субстрата внутри камеры. d) Гидролиз АТР и сворачивание субстрата. e) Связывание АТР в противоположном кольце инициирует диссоциацию GroES и освобождение субстрата. f) Связывание новой молекулы субстрата и повторение цикла Структурные преобразования в группе II шаперонинов M.P.Mayer Cell, 39, 321, 2010 А. Изображенные в виде сфер данные криоэлектронной микроскопии шаперонина M. maripaludis в состоянии, свободном от нуклеотидов. Положение «крышки» обозначено синим. В. Изображенные в виде сфер данные криоэлектронной микроскопии шаперонина M. maripaludis в присутствии АТР. Синим показана диафрагмаподобное движение «крышки». С. Конформационные изменения, индуцируемые связыванием АТР и проиллюстрированные для одной субъединицы шаперонинов, представленной в виде различных элементов вторичной структуры. Некоторые нейродегенеративные заболевания, связанные с неправильным сворачиванием белков Заболевание Этиология Характерная патология Прионные болезни (куру, болезни Крейцфельда-Якоба, фатальная семейная бессонница, болезнь Герстманна-Штрауслера-Шейнкера) Спорадические, генетические или инфекционные Губчатая дегенерация, амилоиды и другие агрегаты Амиотрофический латеральный склероз Спорадический Тельца Бонна, аксональные сфероиды Болезнь Паркинсона Спорадический -синуклеин, паркин Тельца Леви Фронто-темпоральная деменция Мутации тау-белка Тельца Пика Болезнь Альцгеймера Спорадический, бета-амилоид, тау белок Нейритные пластины Болезнь Хантингтона Хантинктин Внутриядерные включения, цитоплазматические агрегаты Другие полиглутаминовые болезни Атаксин-1,3 и др Внутриядерные включения Участие различных белков теплового шока в защите клетки от повреждений Vos et al., Biochemistry, 47, 7001, 2008 Белки теплового шока препятствуют агрегации частично денатурированных белков (HspB), обеспечивают их АТР-зависимую ренатурацию (HspA, HspJ) или обеспечивают деградацию денатурированных белков (HspA, HspB). Малые белки теплового шока Некоторые свойства малых белков теплового шока человека Kappe et al., Cell Stress & Chaperone, 8, 53-61, 2003 Vos et al., Biochemistry, 47, 7001, 2008 Название Количество остатков Мол. масса pI Хромосома HspB1 (Hsp25/27) 205 22.8 6.4 7q11.2 HspB2 (MKBP) 182 20.2 4.8 11q22-q23 HspB3 150 17.0 5.9 5q11.2 HspB4 (A-кристаллин) 173 19.9 6.2 21q22.3 HspB5 (B-кристаллин) 175 20.2 7.4 11q22.3-q23.1 HspB6 (Hsp20) 157 16.8 6.4 19q13.1 HspB7 (cvHsp) 170 18.6 6.5 1p36.23-p34.3 HspB8 (Hsp22, H11) 196 21.5 4.7 12 HspB9 159 17.5 9.0 17q21 HspB10 (ODF1) 250 28.4 8q22 Схема строения трех представителей класса малых белков теплового шока (HspB1, HspB6 и HspB8) и участки их фосфорилирования Mymrikov et al., Physiol. Rev, 91, 1123, 2011 Малые белки теплового шока содержат консервативный -кристаллиновый домен (желтый цилиндр) и вариабельные по длине и структуре N- и С-концевые участки. N-концевой домен содержит участки, фосфорилируемые в условиях in vitro (стрелки сверху) и in vivo (стрелки снизу) Схема укладки полипептидной цепи мономеров малых белков теплового шока Stamler et al. J. Mol. Biol. 353, 68-79, 2005 Показана вторичная структуры Tsp36 паразитического червя Taenia saginata (a), Hsp16.9 пшеницы Triticum aestivum (b) и Hsp16.5 термофильной археи Methanococcus jannaschii (c). Занумерованными стрелками показаны -складки, уложенные в два листа и формирующие консервативный -кристаллиновый домен. Кристаллическая структура трех малых белков теплового шока Слева направо. Шарообразная структура Hsp16.5 Methanococcus jannashii (24 субъединицы), диско образная структура Hsp16.9 Triticum aestivum (2 кольца по 6 субъединиц в каждом) и кольцеобразная структуры Tsp36 Taenia saginata (4 cубъединицы, каждая из которых содержит по 2 -кристаллиновых домена. Кристаллическая структура малого белка теплового шока бактерии Xanthomonas (слева) и гипотетическая реконструкция структуры В-кристаллина (справа) (Hilario et al., J. Mol. Biol. 408, 74-88, 2011, Jehle et al., PNAS 108, 6408-6414, 2011) Две панели слева. Мономеры sHsp Xanthomonas образуют стабильные димеры, которые формируют либо замкнутые, либо разомкнутые тримеры димеров. Тримеры димеров образуют 4 разных олигомера, состоящие из 36 субъединиц. Панель справа. Модель 24-членного олигомера В-кристаллина. Мономеры образуют стабильные димеры, которые взаимодействуют между собой за счет подвижного С-конца с образованием тримеров димеров. Четыре таких гексамера образуют сферу, состоящую из 24 субъединиц и стабилизированную за счет подвижных N-концевых участков. Часть подвижных С-концевых участков расположена на поверхности глобулы -Кристаллины (HspB4, HspB5) Олигомерные комплексы, образуемые В-кристаллином (Baldwin et al. J. Mol. Biol. 413, 297, 2011) Олигомеры -кристаллина построены из димеров, которые несколькими способами взаимодействуют между собой (верхняя панель). При масс-спектроскопии выявляется серия пиков, соответствующих олигомерам с разным количеством субъединиц (нижняя панель а), при соударении с частицами инертного газа становится возможной диссоциация мономеров и образование олигомеров с нечетным количеством субъединиц (нижняя панель, d). Вероятность образования «четных» и «нечетных» олигомеров зависит от рН (нижняя панель, с, черная кривая рН7.0, красная кривая рН 5.0 Зависимость прозрачности хрусталика от взаимодействия - и -кристаллинов Takemoto, Sorensen, Exp. Eye Res. 2008 На верхнем рисунке схематически показано прочность взаимодействия и -кристаллинов (увеличение прочности взаимодействия слева направо). На среднем рисунке схематично показано изменение прозрачности хрусталика На нижнем рисунке показано взаимодействие - и -кристаллинов. При слабом взаимодействии (А) возможно образование крупных олигомеров -кристаллинов; при среднем по прочности взаимодействии (В) кристаллины равномерно располагаются в хрусталике; при очень прочном взаимодействии (С) образуются агрегаты - и кристаллинов. Некоторые факторы, влияющие на катарактогенез Takemoto, Sorensen, Exp. Eye Res. 2008; Hayes et al., JBC 283, 10500, 2008 1. 2. 3. Мутации кристаллинов Посттрансляционные модификации кристаллинов 1. Окисление метионинов 2. Окисление С131 и С142 А-кристаллина 3. Окисление цистеинов -кристаллинов 4. Дезамидирование S-кристаллина 5. Окисление Trp разных кристаллинов Изменение взаимодействия с цитоскелетными белками (актином, десмином) Некоторые точечные мутации B-кристаллина, ведущие к развитию врожденной катаракты или различных видов миопатий Процессы, в которых может участвовать В-кристаллин • 1. Обеспечение прозрачности хрусталика (взаимодействие с А-кристаллином и другими белками хрусталлика) • 2. Стабилизация цитоскелета (микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты) • 3. Образование гетероолигомерных комплексов с другими малыми белками теплового шока • 4. Предотвращение агрегации частично денатурированных белков (белки -амилоидов, синуклеин, хантингтин, тау-белки) • 5. Замедление процессов апоптоза Малый белок теплового шока с кажущейся молекулярной массой 27 кДа (Hsp27, HspB1) Различные внешние воздействия влияют на фосфорилирование Hsp27 под действием МАРКАР2 киназы, что может приводить к диссоциации крупных олигомеров Hsp27 Salinthone et al., Pharmacoloy & Therapeutics, 119, 44, 2008 Hsp27 способен влиять на: 1) архитектуру и стабильность цитоскелета, 2) убиквитинилирование и функционирование протеасом, 3) передачу гормонального сигнала 4)окислительновосстановительный потенциал 5) процессы апоптоза, 6) препятствовать агрегации неправильно свернутых белков (хантинктин, паркин, синуклеин, прионы, филамин С, тау-белки, белки -амилоидов) . Возможное участия Hsp27 в процессах апоптоза Mymrikov et al., Physiol. Rev, 91, 1123, 2011 Во внутреннем пути активации апоптоза HspB1 препятствует выходу цитохрома с из митохондрий, активирует PI3-K, которая активирует Аkt, которая фосфорилирует BAX и препятствует образованию поры в мембране митохондрий, ингибирует Ask и JNK, предотвращая выход цитохрома с, блокирует образование апоптосом и ингибирует активность некоторых каспаз. При внешнем пути HspB1 препятствует перемещению Bid на мембрану митохондрий и выходу цитохрома с, препятствует выходу Daxx из ядра и активации Ask, способствует убиквитинилированию IkB и тем самым способствует активации транскрипционного фактора NF-kB. Роль Hsp27 и В-кристаллина в норме и патологии Arrigo et al., FEBS Letters 581, 3665, 2007 А. В норме белки стабилизируют цитоскелет, фолдинг белков и окислительно-восстановительный потенциал и т.о. защищают клетку от стрессов и предотвращают спонтанный или индуцированный апоптоз. В. При патологиях Hsp27 и кристаллин предотвращают развитие т.н. «конформационных» и воспалительных заболеваний. Следствием этого может быть злокачественное перерождение. Мутации указанных белков приводят к развитию катаракты, кардиомиопатиям и различным нейродегенеративным заболеваниям Процессы, в которые могут протекать с участием Hsp27 (HspB1) Mymrikov et al., 91, 1123, 2011 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Контроль правильного сворачивания белков Участие в процессах АТР-зависимого (протеасомного) расщепления денатурированных белков Возможное участие в регуляции активности ферментов (в частности протеинкиназ) Антиапоптотическая активность Защита от окислительного стресса Возможное участие в регуляции цитоскелета и сократительной активности различных типов мышц Взаимодействие с другими малыми белками теплового шока Малый белок теплового шока с кажущейся молекулярной массой 20 кДа (Hsp20, HspB6) Схема строения HspB6 (Hsp20) Показана модель трехмерной структуры и первичная структура белка с обозначением участков фосфорилирования и ацетилирования Sudnitsyna et al., 2015 The big book on small heat shock proteins Две альтернативные гипотезы, пытающиеся объяснить механизм, с помощью которого фосфорилированный HspB6 (Hsp20) может участвовать в регуляции расслабления гладких мышц Mymrikov et al, Physiol.Rev. 91, 1123, 2011 Согласно первой модели (A) фосфорилированный HspB6 связывается с актиновым филаментом и аналогично тропонину I препятствует продуктивному взаимодействию миозина и актина (Rembold et al., 2000) Согласно второй модели (B) фосфорилированный HspB6 связывается с актином и/или актинсвязывающими белками и приводит к частичной разборке актинового цитосклетеа, что также приводит к расслаблению (Brophy et al. 1999) Строение и возможные механизмы функционирования белка 14-3-3 – универсального адаптера, способного преимущественно связывать фосфорилированные белки-субстраты Obsil et al., Seminar in Cell and Developmental Biology 2011 in press Слева – кристаллическая структура димера 14-3-3. Справа – возможные механизмы функционирования белков семейства 143-3 в клетке. Гипотетическая схема, приводимая в литературе для объяснения совместного участия малых белков теплового шока и белка 14-3-3 в регуляции цитоскелета и сократительной активности мышц (Gaestel, Nature Rev. Mol. Cell. Biol. 7, 120-130, 2006) и сложности, возникающие при анализе этой схемы (Mymrikov et al, Physiol.Rev. 91, 1123, 2011) Фосфорилированный LIM-киназой кофилин связан с 14-3-3 и поэтому не способен повреждать нити актина. После фосфорилирования малые белки теплового шока (Hsp) вытесняют кофилин из комплекса с 14-3-3, кофилин дефосфорилируется и фрагментирует нити актина, что ведет к расслаблению или ремоделированию цитоскелета Возможная конкуренция фосфорилированного HspB6 (Hsp20) с другими белками-субстратами 14-3-3, ведущая к обратимому «включению» или «выключению» различных внутриклеточных процессов Sudnitsyna et al., 2015 The big book on small heat shock proteins Схема защитного действия Hsp20 в сердце Fan et al., Trends Cardiovas. Med. 15, 138, 2005 Hsp20 фосфорилируется сАМР-зависимой протеинкиназой. Hsp20 может стабилизировать цитоскелет, блокирует апоптоз и в фосфорилированном состоянии может взаимодействовать с универсальным адаптерным белком 14-3-3 Различные процессы, на которые может влиять HspB6 (Hsp20) Sudnitsyna et al., 2015 The big book on small heat shock proteins Малый белок теплового шока с кажущейся молекулярной массой 22 кДа (Hsp22, HspB8) Схема взаимодействия Hsp22 дикого типа с другими малыми белками теплового шока Fontaine et al., BBRC, 337, 1006-1011, 2005 По мнению авторов, Hsp22является своеобразным ключевым компонентов семейства малых белков теплового шока, способным взаимодействовать практически по всеми другими малыми белками теплового шока Схема строения белков семейства BAG Takayama, Reed, Nature Cell Biol. 3, E237, 2001 Все белки семейства BAG содержит приблизительно 50-членный т.н. BAG-домен, обеспечивающий взаимодействие с Hsp70. Помимо этого белки BAG могут содержать другие домены, участвующие во взаимодействии этих белков с другими белками-клиентами Возможное участие HspB8 (Hsp22) в процессах макроавтофагии Carra et al., Autophagy 4, 237, 2008 HspB8 или другие шапероны связывают денатурированные белки и прикрепляются к Bag3, который в комплексе с другими белками способствует формированию аутофагосом и деградации денатурированных белков Характеристика комплексов, образуемых HspB8 (Hsp22) c белком Bag3 Shemetov, Gusev ABB 513, 1, 2011 Bag3 крупный белок с неупорядоченной структурой. Он способен взаимодействовать с HspB8 (Hsp22), представленным равновесной смесью мономеров и димеров. При взаимодействии структура обоих белков упорядочивается и образуются комплексы с различной стехиометрией Участие Hsp22 (HspB8) в управляемом протеолизе неправильно свернутых белков Mymrikov et al., Physiol. Rev. 91, 1123, 2011 HspB8 может участвовать в направлении денатурированных белков в протеасомы. Образуя комплекс с белком Bag3, HspB8 может активировать неизвестную протеинкиназу, которая фосфорилирует eIF2 и таким образом ингибирует синтез белка и активирует процесс автофагии. Посредством Bag3 малый белок теплового шока HspB8 взаимодействует с Hsp70 и белком CHIP (chaperone-associated ubiquitin ligase) и таким образом вновь способствует активации протеолитической деградации денатурированных белков Участие малых белков теплового шока в предотвращении накопления агрегатов неправильно свернутых белков Vos et al., Autophagy, 7, 101, 2011 Некоторые малые белки теплового шока (HspB1, B4, B5)обеспечивают транспорт денатурированных белков на АТР-зависимые шапероны (Hsp70), другие малые белки теплового шока (HspB1, HspB9) обеспечивают транспорт денатурированных белков в протеасомы, третьи малые белки теплового шока (HspB7) специфически переносят денатурированные белки в аутофагосомы, наконец, четвертые малые малые белки теплового шока проводят аналогичную операцию в комплексе с Bag3 Процессы, в которых может участвовать Hsp22 (HspB8) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Регуляция процессов апоптоза (в зависимости от уровня экспрессии может обладать как про-, так и антиапоптической активностью). Участие в зависимой от протеасом деградации денатурированных белков Образование гетероолигомерных комплексов с другими малыми белками теплового шока Обеспечение связи между системой малых белков теплового шока и Hsp70 (взаимодействие с белками семейства Bag) Взаимодействие и возможная регуляция активности некоторых протеинкиназ (Akt, казеин-киназа 2 типа) Взаимодействие и регуляция активности ферментов, участвующих в процессинге РНК Предотвращение агрегации частично денатурированных белков (хантингтин, синуклеин, белки с полиглутаминовыми последовательностями) Мутации малых белков теплового шока и некоторые врожденные болезни человека Выравнивание первичных структур нескольких малых белков теплового шока человека. Красными буквами на желтом фоне обозначены точечные мутации приводящие к развитию различных врожденных заболеваний. Синим цветом обозначены фосфорилируемые остатки. Стрелками обозначены -складки кристаллинового домена Точечные мутации малых белков теплового шока в области -кристаллинового домена, и некоторые врожденные заболевания, наблюдаемые при этих мутациях sHsp Мутация Заболевания А-кристаллин R116C Врожденная катаракта В-кристаллин R120G Врожденная катаракта, миопатия, связанная с десмином Hsp27 (HspB1) R127W Дистальная врожденная миопатия S135F Дистальная врожденная миопатия Миопатия Шарко-Мари-Тут R136W Миопатия Шарко-Мари-Тут T151I Миопатия, связанная с десмином K141E Дистальная врожденная миопатия K141N Дистальная врожденная миопатия Hsp22 (HspB8) Точечные мутации малых белков теплового шока коррелируют с развитием некоторых сердечнососудистых и нейродегенеративных заболеваний. Это может быть связано с уменьшением стабильности малых белков теплового шока и ослаблением их шаперонной активности. Система протеостаза клеток. Показаны контрансляционного сворачивания с участием Hsp40/Hsp70 (цикл I), разборки агрегатов с участием Hsp100/Hsp70 (цикл II) и АТР-зависимая система GroR/GroL/TRIC/CCT Matto, Gooloubinoff, Cell Mol.Life Sci 2014, 71, 3311-3325 ВЫВОДЫ • В клетке существует сложно построенная система протеостаза, т.е. система, контролирующая правильное сворачивание сложно построенных или частично денатурированных белков • Эта система состоит и взаимосвязанных белков-шаперонов, часть из которых связывает неправильно свернутые или частично денатурированные белки, а другая часть обеспечивает их АТР-зависимое сворачивание или управляемый протеолиз • Мутации шаперонов или перегрузка системы протеостаза неправильно свернутыми белками приводит к гибели клеток и развитию тяжелых заболеваний, таких как различные формы нейродегенеративных заболеваний, кардиомиопатии, катаракта и многие другие
