GrpE - GrpE

GrpE (Gro-P подобно белку E) является бактериальный фактор обмена нуклеотидов что важно для регулирования сворачивание белка техники, а также реакция на тепловой шок.[1] Это индуцируемый нагреванием белок, который во время стресса предотвращает накопление развернутых белков в цитоплазме.[2][3] Накопление развернутых белков в цитоплазма может привести к гибели клеток.[4]

GrpE белок
Аннотированная структура GrpE на 2.8A.jpg
Кристаллическая структура гомодимера GrpE, взаимодействующего с сайтом связывания АТФазы DnaK, разрешается при 2,8 ангстрем.
Идентификаторы
СимволGrpE
PfamPF01025
ИнтерПроIPR000740
PROSITEPS01071
SCOP21дкг / Объем / СУПФАМ
CDDcd00446

Открытие

GrpE - фактор обмена нуклеотидов, который впервые был обнаружен исследователями в 1977 году как белок, необходимый для размножения бактериофаг λ, вирус, который заражает бактерии, взламывая собственный репликационный механизм бактерий,[5] в кишечная палочка.[6] Используя генетический скрининг, исследователи выбили определенные гены у E.. кишечная палочка и затем проверили, способны ли бактерии размножаться, было обнаружено, что GrpE имеет решающее значение для размножения. С тех пор GrpE был идентифицирован у всех бактерий и в архее, где DnaK и DnaJ присутствуют.[7]

В Кристальная структура GrpE был определен в 1997 г. при 2,8 ангстрем и идентифицировал GrpE как гомодимер, который связывает DnaK, белок теплового шока, участвующий в de novo сворачивание белков.[8] Определение структуры GrpE было важным, поскольку оно продемонстрировало взаимодействие факторов обмена нуклеотидов в нуклеотид-связывающем домене DnaK.[9]

Структура

Функциональные домены

Гомодимер GrpE имеет три отдельные домены:

  • N-концевой неупорядоченные области - аминокислоты 1-33 в N-концевом домене могут конкурировать за связывание с субстрат-связывающей щелью DnaK.[9] Аминокислоты 34-39 не были визуализированы, потому что они либо слишком разупорядочены, либо слишком неструктурированы для кристаллизации.[2]
  • α-спирали - Есть четыре α-спирали, две короткие и две длинные, они похожи на стебель и параллельны друг другу. Эти спирали собираются вместе, образуя спиральный пучок, однако сверхспирального скручивания не происходит из-за расстояния между гидрофобными остатками в этих спиралях гептад-хендекад (7-11-7-11).[3] Части этого спирального пучка способны связываться с доменом IIB DnaK. Эти спирали также действуют как термодатчики.[10][11]
  • C-терминал β-листы - Есть два компактных β-листа, которые торчат из спиралей, как руки. Β-лист, проксимальный к DnaK, напрямую взаимодействует со своей АТФ-связывающей щелью, вставляя себя в щель и вызывая конформационный сдвиг в Домене IIB, вызывая высвобождение АДФ.[12] Дистальный β-лист не взаимодействует с DnaK.[2][3]

Связывание вызывает конформационное изменение

Связывание проксимального β-листа GrpE с доменом IIB DnaK вызывает поворот на 14 ° наружу нуклеотид-связывающей щели, нарушая связывание трех боковых цепей с кольцами аденина и рибозы нуклеотида. Это конформационное изменение сдвигает DnaK из закрытой в открытую конформацию и позволяет высвобождать АДФ из связывающей щели.[12]

Функция

Фактор обмена нуклеотидов

Факторы обмена нуклеотидов - это белки, которые катализируют высвобождение аденозиндифосфат (ADP) для облегчения связывания аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ имеет три фосфатные группы, и удаление одной из фосфатных групп высвобождает энергию, которая используется для подпитки реакции. Это удаление фосфатной группы восстанавливает АТФ до АДФ.[13] GrpE представляет собой фактор обмена нуклеотидов, который вызывает высвобождение связанного АДФ из DnaK, белка теплового шока, важного для de novo сворачивание белков. DnaK в своей открытой конформации связывает АТФ с низким сродством и имеет высокую скорость обмена на развернутые белки. Как только DnaJ, ко-шаперон, доставляет развернутый белок к DnaK, АТФ гидролизуется до АДФ, чтобы облегчить укладку белка. На данный момент комплекс DnaK • ADP находится в стабильной конформации и требует, чтобы GrpE связывался с DnaK, изменял его конформацию и высвобождал ADP из N-концевого АТФазного домена DnaK. После выхода ADP из цикла можно продолжить.[11][10]

Ко-шаперон DnaJ вводит развернутый белок к сайту связывания субстрата DnaK и гидролизует АТФ, DnaJ и высвобождение неорганического фосфата. Затем GrpE взаимодействует с расщелиной DnaK для связывания нуклеотидов, вызывая конформационные изменения, ведущие к высвобождению АДФ и высвобождению субстрата.[14][15]

Кинетика

Взаимодействие между GrpE и нуклеотид-связывающей щелью DnaK является сильным с Kd между 1 нМ (оценивается во время активной конформации с использованием переходная кинетика ) и Kd 30 нМ (на основе неактивной конформации через поверхностный плазмонный резонанс ).[3] Эта низкая константа диссоциации указывает на то, что GrpE легко связывается с DnaK.[16] Связывание GrpE с DnaK • ADP значительно снижает сродство ADP к DnaK в 200 раз и увеличивает скорость высвобождения нуклеотидов в 5000 раз. Этот процесс облегчает de novo сворачивание развернутого белка с помощью DnaK.[3][11]

Сворачивание белков

GrpE также играет важную роль в высвобождении субстрата из DnaK.[3] Неупорядоченная N-концевая область GrpE конкурирует за связывание с расщелиной, связывающей субстрат DnaK. Исследователи мутировали GrpE, чтобы определить функцию его структурных доменов. Мутировавший GrpE без его неупорядоченного N-концевого домена все еще способен связываться с расщелиной для связывания нуклеотидов DnaK и вызывать конформационные изменения, однако субстрат не высвобождается.[9]

Термодатчик

GrpE является фактором обмена нуклеотидов для DnaK, белка теплового шока, его активность снижается с повышением температуры.[2] В биологии обратимое разворачивание α-спиралей начинается при 35 ° C со средней точкой Tм При температуре 50 ° C это разворачивание влияет на структурную целостность GrpE и предотвращает связывание GrpE с нуклеотидсвязывающей щелью DnaK. Это играет важную физиологическую роль в ограничении круговорота субстрата и последующего расхода АТФ во время теплового стресса. Терморегуляция DnaK замедляет сворачивание белков и предотвращает накопление развернутых белков в цитоплазме при высоких температурах.[3][11][10]

Репликация бактериофага λ

GrpE был впервые идентифицирован из-за его роли в репликации фага λ.[6] GrpE, который был мутирован так, что он нефункциональный, предотвращает репликацию фага λ in vivo и значительно снижает репликацию in vitro. В пробирке сверхэкспрессия DnaK может восстановить репликацию фага λ без GrpE. Ключевая роль GrpE в репликации фага λ заключается в начале репликации после сборки DnaB и другие факторы репликации, GrpE облегчает двунаправленное раскручивание ДНК посредством взаимодействия с DnaK.[17]

Регулирование

Транскрипция

В архее геном, то ген для GrpE расположен выше гена DnaK, который находится выше гена DnaJ. Из этих трех белков только промоутер регион GrpE имеет полный Коробка для переплета TATA и вышестоящий термочувствительный сайт связывания. Это говорит о том, что у архей эти три гена транскрибируются одновременно.[7]

В Кишечная палочка, Транскрипция GrpE регулируется связыванием специфической субъединицы теплового шока РНК-полимераза, σ32.[18] В физиологических условиях σ32 сохраняется на низком уровне за счет инактивации за счет взаимодействия с DnaK и DnaJ, а затем последующая деградация за счет протеазы. Однако во время теплового шока эти белки не могут взаимодействовать с σ32 и нацелить его на деградацию. Следовательно, при тепловом шоке σ32 связывается с промоторной областью белков теплового шока и вызывает быструю индукцию этих генов.[19]

Другие биологические системы

Гомологи эукариотов

В Saccharomyces cerevisiae, гомолог GrpE, Mge1, находится в митохондрии.[20] Mge1 является фактором обмена нуклеотидов, важным для перемещения белков через митохондриальные мембраны и в сворачивании белков, он взаимодействует с дрожжевым гомологом DnaK. Mge1 выполняет аналогичную роль термодатчика.[20] У дрожжей есть дополнительные гомологи GrpE, включая Sil1p и Fes1p.[21] У человека митохондриальные органеллы содержат белок GrpE-подобный 1 (GRPEL1).[22]


В эукариотических клетках имеется много дополнительных эукариотических гомологов GrpE.[21] В частности, члены семьи BAG, BAG1 являются основными факторами обмена нуклеотидов для белок теплового шока 70 кДа (Hsp70), который является эукариотический эквивалент DnaK. Другие факторы обмена нуклеотидов, которые взаимодействуют с белками теплового шока у эукариот, включают Sse1p, Sil1p, Hip и HspBP1.[2][21] Все эти факторы обмена нуклеотидов эукариот индуцируются тепловым шоком, что означает, что они выполняют ту же функцию, что и GrpE, для защиты клетки от развернутой агрегации белков. Эти факторы обмена нуклеотидов всегда взаимодействуют с субдоменом IIB нуклеотид-связывающей щели их соответствующих белков теплового шока. Связывание фактора обмена нуклеотидов с расщелиной для связывания нуклеотидов и переход к открытой конформации сохраняется между прокариоты и эукариоты.[2][23]

Гомологи растений

У растений гомологи GrpE, CGE1 и CGE2, находятся в хлоропласты. CGE1 имеет две изоформы сплайсинга, которые различаются 6 аминокислотами на N-конце, при этом изоформа CGE1b на 6 нуклеотидов длиннее, чем CGE1a. Этот N-концевой домен важен для высвобождения субстрата за счет конкурентного связывания с белком теплового шока. Все эти факторы обмена нуклеотидов растений напрямую взаимодействуют с cpHsc70, растительным гомологом DnaK. Они индуцируются нагреванием, однако при 43 ° C они не так эффективны, как GrpE, в защите клетки от накопления развернутого белка.[24][25][26]

Роль в болезни

Бактериальный патогенез

Энтерококки - это бактерии, которые обычно встречаются в желудочно-кишечном тракте животных, в том числе человека.[27] Эти бактерии могут образовывать биопленка, который представляет собой слой бактерий, прикрепленных к поверхности.[28][27] Энтерококковая биопленка широко распространена в больницах и хирургических учреждениях, она ответственна за 25% катетерных инфекций,[27] встречается в 50% зубов с пломбированными корнями апикальный периодонтит,[28] и может быть изолирован от других ран.[27] GrpE находится в геноме Enterococcus faecilis и Enterococcus faecium и имеет решающее значение для прикрепления биопленки энтерококка к полистирол трубки,[29] пластиковый полимер, обычно используемый в больницах.[30]

Группа А Streptococcus pyogenes это бактерия, которая может привести к распространенным инфекциям, включая стрептококковое горло и импетиго, но также несет ответственность за опасные для жизни инфекции.[31][32] Во время заражения GrpE помогает стрептококк бактерии прикрепляются к глотке эпителиальные клетки.[32] GrpE в Стрептококк связывается с эндогенный протеины, богатые пролином в слюне, что способствует прилипанию бактерий к хозяину.[32]

использованная литература

  1. ^ Delaney JM. GrpE-мутант Escherichia coli более устойчив к нагреванию, чем мутант дикого типа. J Gen Microbiol. 1990; 136 (5): 797-801. DOI: 10.1099 / 00221287-136-5-797
  2. ^ а б c d е ж Брахер А., Вергезе Дж. (07.04.2015). «Факторы обмена нуклеотидов в молекулярных шаперонах Hsp70». Границы молекулярных биологических наук. 2: 10. Дои:10.3389 / fmolb.2015.00010. ЧВК  4753570. PMID  26913285.
  3. ^ а б c d е ж г Харрисон С (2003). «GrpE, фактор обмена нуклеотидов для DnaK». Клеточный стресс и шапероны. 8 (3): 218–24. Дои:10.1379 / 1466-1268 (2003) 008 <0218: ganeff> 2.0.co; 2. ЧВК  514874. PMID  14984054.
  4. ^ Рихтер К., Хаслбек М., Бюхнер Дж. (Октябрь 2010 г.). «Реакция теплового шока: жизнь на грани смерти». Молекулярная клетка. 40 (2): 253–66. Дои:10.1016 / j.molcel.2010.10.006. PMID  20965420.
  5. ^ Гриффитс AJ, Миллер JH, Suzuki DT, Lewontin RC, Gelbart WM (2000). «Лямбда-фаг: комплекс оперонов». Введение в генетический анализ. (7-е изд.). В. Х. Фриман и компания.
  6. ^ а б Сайто Х., Учида Х. (июнь 1977 г.). «Инициирование репликации ДНК бактериофага лямбда в Escherichia coli K12». Журнал молекулярной биологии. 113 (1): 1–25. Дои:10.1016/0022-2836(77)90038-9. PMID  328896.
  7. ^ а б Хикки А.Дж., Конвей де Макарио Э., Макарио А.Дж. (январь 2002 г.). «Транскрипция в архее: основные факторы, регуляция и экспрессия генов стресса». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии. 37 (4): 199–258. Дои:10.1080/10409230290771500. PMID  12236465.
  8. ^ Харрисон С.Дж., Хайер-Хартл М., Ди Либерто М., Хартл Ф., Куриян Дж. (Апрель 1997 г.). «Кристаллическая структура фактора обмена нуклеотидов GrpE, связанного с АТФазным доменом молекулярного шаперона DnaK». Наука. 276 (5311): 431–5. Дои:10.1126 / science.276.5311.431. PMID  9103205.
  9. ^ а б c Бродский JL, Bracher A (2013). Факторы обмена нуклеотидов для молекулярных шаперонов Hsp70. Landes Bioscience.
  10. ^ а б c Винтер Дж., Якоб Ю. (январь 2004 г.). «Помимо транскрипции - новые механизмы регуляции молекулярных шаперонов». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии. 39 (5–6): 297–317. Дои:10.1080/10409230490900658. PMID  15763707.
  11. ^ а б c d Бхандари В., Хоури В.А. (2015). «Сети взаимодействия субстрата шаперонов Escherichia coli: триггерный фактор, DnaK и GroEL». Достижения экспериментальной медицины и биологии. 883: 271–94. Дои:10.1007/978-3-319-23603-2_15. ISBN  978-3-319-23602-5. PMID  26621473.
  12. ^ а б Blatch GL, Эдкинс А.Л. (8 декабря 2014 г.). Объединение шаперонов с помощью ко-шаперонов: контроль гомеостаза клеточных белков. Чам. ISBN  9783319117317. OCLC  898028354.
  13. ^ Маркес, Жуберт; Флорес, Джесса; Ким, Эми Хеин; Ньяма, Баялагмаа; Нгуен, Ань Тхи Тайет; Парк, Намми; Хан, Джин (2019-12-06). «Спасение дисфункции цикла TCA для лечения рака». Журнал клинической медицины. 8 (12): 2161. Дои:10,3390 / см 8122161. ISSN  2077-0383. ЧВК  6947145. PMID  31817761.
  14. ^ Каллони Дж., Чен Т., Шерманн С.М., Чанг Х.С., Женево П., Агостини Ф. и др. (Март 2012 г.). «DnaK функционирует как центральный узел в шаперонной сети E. coli». Отчеты по ячейкам. 1 (3): 251–64. Дои:10.1016 / j.celrep.2011.12.007. PMID  22832197.
  15. ^ Биология прокариотических систем. Кроган, Неван Дж. ,, Бабу, Мохан. Чам. 2015-11-30. ISBN  978-3-319-23603-2. OCLC  930781755.CS1 maint: другие (ссылка на сайт)
  16. ^ Биссвангер H (2008). Кинетика ферментов: принципы и методы (2-е изд. И обновл. Ред.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-31957-2. OCLC  225406378.
  17. ^ Wyman C, Vasilikiotis C, Ang D, Georgopoulos C, Echols H (ноябрь 1993 г.). «Функция белка теплового шока GrpE в двунаправленном раскручивании и репликации от источника фага лямбда». Журнал биологической химии. 268 (33): 25192–6. PMID  8227083.
  18. ^ Арсен Ф., Томоясу Т., Букау Б. (апрель 2000 г.). «Реакция на тепловой шок Escherichia coli». Международный журнал пищевой микробиологии. 55 (1–3): 3–9. Дои:10.1016 / s0168-1605 (00) 00206-3. PMID  10791710.
  19. ^ Томоясу Т., Огура Т., Тацута Т., Букау Б. (ноябрь 1998 г.). «Уровни DnaK и DnaJ обеспечивают жесткий контроль экспрессии гена теплового шока и репарации белков в Escherichia coli». Молекулярная микробиология. 30 (3): 567–81. Дои:10.1046 / j.1365-2958.1998.01090.x. PMID  9822822.
  20. ^ а б Моро Ф., Муга А. (май 2006 г.). «Термическая адаптация дрожжевой митохондриальной системы Hsp70 регулируется обратимым развертыванием его фактора обмена нуклеотидов». Журнал молекулярной биологии. 358 (5): 1367–77. Дои:10.1016 / j.jmb.2006.03.027. PMID  16600294.
  21. ^ а б c Объединение шаперонов с помощью ко-шаперонов: контроль гомеостаза клеточных белков. Блатч, Грегори Л., Эдкинс, Эдриен Лесли. Чам. 2014-12-08. ISBN  978-3-319-11731-7. OCLC  898028354.CS1 maint: другие (ссылка на сайт)
  22. ^ Маккензи Дж. А., Пейн Р. М. (май 2007 г.). «Импорт митохондриального белка, здоровье и болезни человека». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная основа болезни. 1772 (5): 509–23. Дои:10.1016 / j.bbadis.2006.12.002. ЧВК  2702852. PMID  17300922.
  23. ^ Деккер П.Дж., Пфаннер Н. (июль 1997 г.). «Роль митохондриального GrpE и фосфата в АТФазном цикле матричного Hsp70». Журнал молекулярной биологии. 270 (3): 321–7. Дои:10.1006 / jmbi.1997.1131. PMID  9237899.
  24. ^ де Луна-Вальдес, Лос-Анджелес, Вильясеньор-Сальмерон, Cordoba E, Vera-Estrella R, León-Mejía P, Guevara-García AA (июнь 2019 г.). «Функциональный анализ белков хлоропластов GrpE (CGE) из Arabidopsis thaliana». Физиология и биохимия растений. 139: 293–306. Дои:10.1016 / j.plaphy.2019.03.027. PMID  30927692.
  25. ^ Schroda M, Vallon O, Whitelegge JP, Beck CF, Wollman FA (декабрь 2001 г.). «Хлоропластный гомолог GrpE хламидомонады: две изоформы, полученные в результате дифференциального сплайсинга». Растительная клетка. 13 (12): 2823–39. Дои:10.1105 / tpc.010202. ЧВК  139491. PMID  11752390.
  26. ^ Willmund F, Mühlhaus T, Wojciechowska M, Schroda M (апрель 2007 г.). «NH2-концевой домен хлоропластного гомолога GrpE CGE1 необходим для димеризации и функции коаперона in vivo». Журнал биологической химии. 282 (15): 11317–28. Дои:10.1074 / jbc.M608854200. PMID  17289679.
  27. ^ а б c d Ch'ng JH, Chong KK, Lam LN, Wong JJ, Kline KA (январь 2019 г.). «Биопленочная инфекция энтерококками». Обзоры природы. Микробиология. 17 (2): 82–94. Дои:10.1038 / s41579-018-0107-z. PMID  30337708.
  28. ^ а б Гилмор MS, Clewell DB, Айк Y, Шанкар N (2014). Гилмор MS, Clewell DB, Ike Y, Shankar N (ред.). «Энтерококки: от знакомых до основных причин лекарственно-устойчивой инфекции». Массачусетский глазной и ушной лазарет. PMID  24649510. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  29. ^ Паганелли, Флорида, Виллемс Р.Дж., Ливис Х.Л. (январь 2012 г.). «Оптимизация будущего лечения энтерококковых инфекций: поражение биопленки?». Тенденции в микробиологии. 20 (1): 40–9. Дои:10.1016 / j.tim.2011.11.001. PMID  22169461.
  30. ^ «Что такое полистирол? | Использование, преимущества и факты безопасности». ChemicalSafetyFacts.org. 2014-05-01. Получено 2019-12-11.
  31. ^ Беннетт Дж., Долин Р., Блазер М. Дж. (8 августа 2019 г.). Принципы и практика Манделла, Дугласа и Беннета в отношении инфекционных болезней (Девятое изд.). Филадельфия, Пенсильвания. ISBN  978-0-323-55027-7. OCLC  1118693541.
  32. ^ а б c Брауэр С., Барнетт Т.С., Ривера-Эрнандес Т., Роде М., Уокер М.Дж. (ноябрь 2016 г.). «Адгезия и колонизация Streptococcus pyogenes». Письма FEBS. 590 (21): 3739–3757. Дои:10.1002/1873-3468.12254. HDL:10033/619157. PMID  27312939.