Первые полные структуры белкового комплекса шаперонов теплового шока раскрывают механизм передачи

Первые полноразмерные структуры двух белков-шаперонов теплового шока в комплексе раскрыли ключевую структурную область, регулирующую их функцию. Исследование проведено в Детской исследовательской больнице Сент-Джуд.

Комплекс шаперонов связывает неправильно свернутые белки и дает им еще один шанс свернуться правильно. Этот процесс важен для клеток, так как неправильно свернутые белки склонны к агрегации, что может вызывать множество заболеваний.

Однако механизм, с помощью которого два основных белка-шаперона теплового шока, Hsp40 и Hsp70, связываются друг с другом и с неправильно свернутыми пептидами, был неясен. Новые структуры позволили ученым определить, как работает клеточная машинерия. Результаты опубликованы в Molecular Cell.

«Белки-шапероны теплового шока образуют первую линию защиты от неправильного сворачивания и агрегации белков, что является предшественником многих заболеваний, — сказал автор-корреспондент Харис Калодимос. — Мы показали, как эти два конкретных белка-шаперона объединяются, раскрыв ранее неизвестный набор механизмов, объясняющих, как они работают в тандеме и как могут давать сбои».

Белки-шапероны теплового шока важны для большинства организмов, их схожие версии присутствуют от бактерий до человека. Известно, что бактериальные Hsp40 и Hsp70 помогают неправильно свернутым белкам правильно перестроиться, их функция как шаперонов изучается десятилетиями. Человеческие версии этих белков также связаны с несколькими заболеваниями. Однако точно то, как Hsp40 и Hsp70 связывают белок-клиент и друг друга, было неизвестно, поскольку никому не удавалось преодолеть технические трудности, связанные с получением полной структуры полной длины.

Вместо использования одного подхода ученые Сент-Джуда объединили данные криогенной электронной микроскопии, ЯМР и рентгеновской кристаллографии, чтобы наконец решить структуру бактериального комплекса. Они зафиксировали несколько форм структуры, состоящих из димеров (пар) Hsp70, взаимодействующих с димерами Hsp40, в нескольких различных состояниях связывания белков-клиентов.

«Самое главное, мы получили полные структуры активного и ингибированного состояний, связанных с неправильно свернутым белком, — сказал Калодимос. — Но мы также решили несколько более мелких частей. Собрав их вместе, они дали нам новую модель того, как на самом деле функционирует комплекс Hsp40 и Hsp70».

Область G/F управляет передачей между белками теплового шока

Мутации в определенной области Hsp40 связаны с рядом заболеваний, включая многие нейродегенеративные, но то, как эти мутации нарушают нормальные функции, было неизвестно. Эта область богата высококонсервативными аминокислотами глицином и фенилаланином, хотя их точные функции были неясны.

Структуры показали, что эта область Hsp40 сначала связывает белок-клиент, затем определенный фенилаланин связывается с сайтом связывания субстрата на Hsp70. Этот фенилаланин затем втягивает неправильно свернутый белок в сайт связывания субстрата, вытесняя себя, хотя остальная часть Hsp40 остается связанной с Hsp70. После передачи неправильно свернутый пептид затем разворачивается Hsp70.

«Мы впервые раскрыли механизм передачи, при котором Hsp40 передает клиента Hsp70, первоначально вставляя фенилаланин в связывающий карман, который затем переносит клиента на тот же сайт, — сказал Калодимос. — Но затем, имея структуры комплекса в нескольких состояниях, мы также увидели, как комплекс высвобождает белки-клиенты».

Ученые обнаружили, что когда АТФ, энергетическая валюта клетки, связывается с Hsp70, Hsp70 меняет форму, выталкивая фенилаланин обратно в связывающий карман, что, в свою очередь, выталкивает белок-клиент и высвобождает его в клетку. После этого Hsp40 покидает Hsp70 и становится доступным для связывания с другим неправильно свернутым белком, начиная процесс заново.

«Теперь мы понимаем на механистическом уровне, как шапероны и белок-клиент образуют этот очень большой комплекс, как они высвобождаются и как проходят через эти состояния, — сказал Калодимос. — Используя эти знания, у нас есть отправная точка для поиска терапевтических вмешательств, чтобы компенсировать вызывающие заболевания мутации, использовать их в качестве мишеней для лекарств при раке или вдохновить на создание антибиотиков следующего поколения».