ШАПЕРОМ: ИСТОРИЧЕСКАЯ ПЕРСПЕКТИВА И СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Вячеслав Сергеевич Федоров; Надежда Вячеславовна Ремизова; Максим Алексеевич Шевцов

doi:10.56871/RBR.2023.60.25.011

Вячеслав Сергеевич Федоров Санкт-Петербургский государственный университет ветеринарной медицины, кафедра неорганической химии и биофизики. 196084, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, ул. Черниговская, 5 https://orcid.org/0000-0002-0239-7473
Надежда Вячеславовна Ремизова Санкт-Петербургский государственный университет ветеринарной медицины, кафедра неорганической химии и биофизики. 196084, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, ул. Черниговская, 5
Максим Алексеевич Шевцов Институт цитологии Российской академии наук. 194064, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 4

DOI: https://doi.org/10.56871/RBR.2023.60.25.011

Ключевые слова: молекулярные шапероны, белки теплового шока, шапером

Аннотация

Жизненный цикл клеток сопровождается постоянным синтезом, транспортом и деградацией полипептидных цепей — белков и сигнальных последовательностей. Каждая полипептидная цепь обладает четырьмя уровнями структуры, и принятие ею правильной пространственной конформации необходимо для экспрессии и функции молекулы. Препятствовать формированию правильной конформации могут гидрофобные взаимодействия или образование сульфидных мостиков. Более того, структуры высокого порядка белков нарушаются при различных стрессовых ответах на клетку. В ходе исследования процессов синтеза и агрегации белков были выявлены особые консервативные протеины, способные связываться с новосинтезированным или поврежденным полипептидом, придавая за счет последовательной связи с доменами узнавания функциональную структуру. Именно эти белки назвали молекулярными шаперонами. В их число входит суперсемейство белков теплового шока, синтез которых является неспецифичным ответом клетки на стресс. Для изучения процессов протеостаза необходимо понимание, что данные белки действуют лишь в тесной взаимосвязи с кошаперонами и другими вспомогательными молекулами. Такие совокупности называются шаперомом, или шаперонной машиной, и они представляют значительный интерес в биомедицинских исследованиях. В данном обзоре литературы представлены основные исторические этапы понимания шаперонов и шаперома как супрамолекулярного комплекса и их место в жизнедеятельности клетки.

Литература

Aprile F.A. et al. Hsp70 oligomerization is mediated by an interac-

tion between the interdomain linker and the substrate-binding domain. PLoS One. 2013; 8(6): 67961. DOI: 10.1371/journal.pone.0067961.

Brehme M. et al. A chaperome subnetwork safeguards proteostasis in aging and neurodegenerative disease. Cell reports. 2014; 9(3): 1135–50. DOI: 10.1016/j.celrep.2014.09.042.

Brehme M., Voisine C. Model systems of protein-misfolding diseases reveal chaperone modifiers of proteotoxicity. Disease models & mechanisms. 2016; 9(8): 823–38. DOI: 10.1242/dmm.024703.

Calderwood S.K. Heat shock proteins and cancer: intracellular chaperones or extracellular signalling ligands? Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2018; 373 (1738): 20160524. DOI: 10.1098/rstb.2016.0524.

Carrigan P.E. et al. Domain:domain interactions within Hop, the Hsp70/Hsp90 organizing protein, are required for protein stability and structure. Protein science. 2006; 15 (3): 522–32. DOI: 10.1110/ps.051810106.

Dart A. Networking: a survival guide. Nature reviews Cancer. 2016; 16(12): 752–52. DOI: 10.1038/nrc.2016.125.

Deuerling E., Bukau B. Chaperone-assisted folding of newly synthesized proteins in the cytosol. Critical reviews in biochemistry and molecular biology. 2004; 39(5): 261–77. DOI: 10.1080/10409230490892496.

Doong H. et al. CAIR-1/BAG-3 abrogates heat shock protein-70 chaperone complex-mediated protein degradation: accumulation of poly-ubiquitinated Hsp90 client proteins. Journal of Biological Chemistry. 2003; 278(31): 28490–500. DOI: 10.1074/jbc.M209682200.

Ellis R.J., Van der Vies S.M. Molecular chaperones. Annual review of biochemistry. 1991; 60(1): 321–47. DOI: 10.1146/annurev.bi.60.070191.001541.

Finka A., Sharma S. K., Goloubinoff P. Multi-layered molecular mechanisms of polypeptide holding, unfolding and disaggregation by HSP70/HSP110 chaperones. Frontiers in molecular biosciences. 2015; 2: 29. DOI: 10.3389/fmolb.2015.00029.

Franze de Fernandez M.T. et al. Factor fraction required for

the synthesis of bacteriophage Qβ-RNA. Nature. 1968; 219(5154): 588–90.

Goeckeler J.L. et al. Overexpression of yeast Hsp110 homolog Sse1p suppresses ydj1-151 thermosensitivity and restores Hsp90-dependent activity. Molecular biology of the cell. 2022; 13(8): 2760–70. DOI: 10.1091/mbc.02-04-0051.

Goloubinoff P. et al Proteomic data from human cell cultures refine mechanisms of chaperone-mediated protein homeostasis. Cell Stress and Chaperones. 2013; 18: 591–605. DOI: 10.1007/s12192-013-0413-3.

Grallert H., Buchner J. A. Structural view of the GroE chaperone cycle. Journal of structural biology. 2001; 135(2): 95–103. DOI: 10.1006/jsbi.2001.4387.

Hallberg R.L. A mitochondrial chaperonin: genetic, biochemical, and molecular characteristics. Seminars in Cell Biology. 1990; 1: 37–45.

Halperin L., Jung, J., Michalak M. The many functions of the endoplasmic reticulum chaperones and folding enzymes. IUBMB life. 2014; 66(5): 318–26. DOI: 10.1002/iub.1272.

Hartl F.U. Molecular chaperones in cellular protein folding. Nature. 1996; 381(6583): 571–80. DOI: 10.1038/381571a0.

Henderson B., Allan E., Coates A.R.M. Stress wars: the direct role of host and bacterial molecular chaperones in bacterial infection. Infection and immunity. 2006; 74(7): 3693–3706. DOI: 10.1128/iai.01882-05.

Joshi S. et al. Adapting to stress–chaperome networks in cancer. Nature Reviews Cancer. 2018; 18(9): 562–75. DOI: 10.1038/s41568 018-0020-9.

Kampinga H.H. Guidelines for the nomenclature of the human heat shock proteins. Cell Stress and Chaperones. 2009; 14(1): 105–11.

Lackie R.E. et al. The Hsp70/Hsp90 chaperone machinery in neurodegenerative diseases. Frontiers in neuroscience. 2017; 11: 254. DOI: 10.3389/fnins.2017.00254.

Levinthal С. Are there pathways for protein folding? Journal de chimie physique. 1968; 65: 44–5. DOI: 10.1051/jcp/1968650044.

Ma Y., Hendershot L. M. ER chaperone functions during normal and stress conditions. Journal of chemical neuroanatomy. 2004; 28: 51–65. DOI: 10.1016/j.jchemneu.2003.08.007.

Madamanchi N.R. et al. Thrombin regulates vascular smooth muscle cell growth and heat shock proteins via the JAK-STAT pathway. Journal of Biological Chemistry. 2001; 276 (22): 18915–24. DOI: 10.1074/jbc.M008802200.

Morishima Y. et al. The Hsp organizer protein hop enhances the rate of but is not essential for glucocorticoid receptor folding by the multiprotein Hsp90-based chaperone system. Journal of Biological Chemistry. 2000; 275(10): 6894–6900. DOI: 10.1074/jbc.275.10.6894.

Murphy M.E. The HSP70 family and cancer. Carcinogenesis. 2013; 34(6): 1181–8. DOI: 10.1093/carcin/bgt111.

Nemoto T.K. et al. Substrate-binding characteristics of proteins in the 90 kDa heat shock protein family. Biochemical Journal. 2001; 354(3): 663–70. DOI: 10.1042/bj3540663.

Nishikawa S., Brodsky J.L., Nakatsukasa K. Roles of molecular chaperones in endoplasmic reticulum (ER) quality control and ER-associated degradation (ERAD). Journal of biochemistry. 2005; 137(5): 551–5. DOI: 10.1093/jb/mvi068.

Ostermann J. et al. Protein folding in mitochondria requires complex formation with hsp60 and ATP hydrolysis. Nature. 1989; 341: 125–30. DOI: 10.1038/341125a0.

Philpott A., Krude T., Laskey R.A. Nuclear chaperones. Cells. Seminars in cell & developmental biology. 2000; 11(1): 7–14. DOI: 10.1006/scdb.1999.0346.

Piette B.L. et al. Comprehensive interactome profiling of the human Hsp70 network highlights functional differentiation of J domains. Molecular cell. 2021; 81(12): 2549–65. DOI: 10.1016/j.molcel.2021.04.012.

Pillarsetty N. et al. Paradigms for precision medicine in epichaperome cancer therapy. Cancer Cell. 2019; 36(5): 559–73. DOI: 10.1016/j.ccell.2019.09.007.

Rizzolo K. et al. Features of the chaperone cellular network revealed through systematic interaction mapping. Cell reports. 2017; 20(11): 2735–48. DOI: 10.1016/j.celrep.2017.08.074.

Rodina A. et al. The epichaperome is an integrated chaperome network that facilitates tumour survival. Nature. 2016; 538(7625): 397–401. DOI: 10.1038/nature19807.

Rosenzweig R. et al. The Hsp70 chaperone network. Nature reviews molecular cell biology. 2019; 20(11): 665–80.

Saibil H.R. Chaperone machines in action. Current opinion in structural biology. 2008; 18(1): 35–42. DOI. 10.1016/j.sbi.2007.11.006.

Schmid F.X. Prolyl isomerase: enzymatic catalysis of slow protein-folding reactions. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure. 1993; 22: 123–43. DOI: 10.1146/annurev.bb.22.060193.001011.

Shevtsov M. et al. Membrane-associated heat shock proteins in oncology: from basic research to new theranostic targets. Cells. 2020; 9(5): 1263. DOI: 10.3390/cells9051263.

Sreedhar A.S. et al. Hsp90 isoforms: functions, expression and clinical importance. FEBS letters. 2004; 562(1): 11–5. DOI: 10.1016/S0014-5793(04)00229-7.

Voos W. Mitochondrial protein homeostasis: the cooperative roles of chaperones and proteases. Research in microbiology. 2009; 160(9): 718–25. DOI: 10.1016/j.resmic.2009.08.003.

Wang X., Venable J., LaPointe P. et al. Hsp90 co-chaperone Aha1 downregulation rescues misfolding of CFTR in cystic fibrosis. Cell. 2006; 127: 803–15. DOI: 10.1016/j.cell.2006.09.043.

Young J.C., Barral J.M., Hartl F.U. More than folding: localized functions of cytosolic chaperones. Trends in biochemical sciences. 2003; 28(10): 541–7. DOI: 10.1016/j.tibs.2003.08.009.

Zhu X. et al. Structural analysis of substrate binding by the molecular chaperone DnaK. Science. 1996; 272(5268): 1606–14. DOI: 10.1126/science.272.5268.1606.