Tổng quan về protein sốc nhiệt (HSP) và ứng dụng trong y dược

Một số chaperon phân tử gây ra bởi nhiệt khác như HSP33 cũng được biết đến, vì nó không phổ biến nên chúng không được xếp vào một lớp riêng biệt Protein trong tế bào nhân thật Chức năng

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Rư Nơi thực hiện: Bộ môn Hóa Sinh

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp tôi đã nhận được rất nhiều

sự chỉ bảo, những lời khuyên hữu ích cũng như sự động viên từ các thầy cô, gia đình và bạn bè

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới người thầy đáng kính PGS.TS

Nguyễn Văn Rư, trưởng bộ môn Hóa Sinh- người đã tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo tôi

trong suốt thời gian thực hiện khóa luận này Thầy là người đã truyền cảm hứng khoa học đến tôi, đồng thời thầy đã cho tôi rất nhiều lời khuyên hữu ích trong việc định hướng phát triển bản thân khi làm nghiên cứu khoa học

Tôi cũng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô của bộ môn Hóa Sinh, trường Đại Học Dược Hà Nội Các thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành khóa luận

Tôi xin cảm ơn gia đình, những người đã luôn động viên hỗ trợ và tiếp thêm sức mạnh để tôi vượt qua những khó khăn trong suốt thời gian thực hiện khóa luận Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới bố mẹ tôi đã luôn ủng hộ tôi trên mọi con đường tôi

Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2018

Sinh viên Phạm Thị Thanh Loan

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 Tổng quan về protein và proteomics 3

1.1 Tổng quan về protein 3

1.1.1 Cấu trúc 3

1.1.2 Chức năng 5

1.2 Tổng quan về proteomics (Proteome) 6

Chương 2 Tìm hiểu chung về HSP 8

2.1 Định nghĩa về HSP 8

2.2 Lịch sử phát hiện 8

2.3 Phân loại HSP 9

2.4 Tác hại của nhiệt 10

2.5 Cấu trúc của HSP và chức năng liên quan đến đáp ứng miễn dịch 12

2.6 Vai trò của HSP 16

2.6.1 Vai trò như chaperon 16

2.6.2 Kích hoạt các phản ứng miễn dịch 24

2.6.3 Vai trò trong tim mạch 24

2.7 Định lượng tương tác giữa HSP và peptid 25

Chương 3 Cochaperon và đánh giá khả năng ứng dụng trong điều trị ung thư 28

3.1 Đại cương về cochaperon 28

3.2 Cơ chế hoạt động của HSP70 cochaperon và HSP90 cochaperon 28

3.3 HSP70 cochaperon và ung thư 32

3.3.1 Các protein miền Bag 32

3.3.2 HSPBP1 33

3.3.3 Protein miền J (JDP) 33

3.3.4 Hop 34

3.4 HSP90 cochaperon và ung thư 34

3.4.1 P23 34

3.4.2 Sgt1 36

3.4.3 Cdc37 36

3.4.4 Aha1 37

3.5 HSP90 tương tác với protein miền TPR 37

Chương 4 Bàn luận 41

4.1 Cochaperon và ung thư 41

4.2 Chaperon phân tử và cochaperon trong điều trị ung thư 42

Chương 5: Kết luận và đề xuất 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bốn bậc cấu trúc của protein 3

Hình 1.2 Sự khác nhau giữa protein chemistry và proteomics 7

Hình 2.1 Ảnh hưởng của sốc nhiệt với tổ chức tế bào nhân thật 11

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc miền HSP90 của nấm men (A) và HSP70 của E Coli (B) 13

Hình 2.3 Sơ đồ của SBD của DnaK (E Coli) 14

Hình 2.4 Mô hình động học tương tác của DnaK với cơ chất 15

Hình 2.5 Các HSP có chức năng chaperon 22

Hình 2.6 Sơ đồ sự dị hướng huỳnh quang để tính tương quan HSP – peptid 27

Hình 3.1 Chu trình phản ứng đối với các polypeptid họ HSP70 29

Hình 3.2 Chu trình phản ứng cho HSP90 35

Hình 4.1 Tác động tiền ung thư và ức chế ung thư của các cochaperon phân tử 41

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chức năng của protein 5 Bảng 2.1 Các loại HSP 9

ĐẶT VẤN ĐỀ

Protein sốc nhiệt (Heat shock protein- HSP) là nhóm protein đang được quan tâm

và nghiên cứu nhiều trong giới khoa học Chúng được đánh giá là nhóm các protein có tiềm năng ứng dụng cao với đời sống đặc biệt trong lĩnh vực Y Dược

Theo các nhà khoa học, protein sốc nhiệt là những protein không xuất hiện ở điều kiện bình thường mà được tế bào sinh ra trong điều kiện stress để giúp bảo vệ tế bào khỏi các loại stress như nhiệt, lạnh, thiếu glucose, thiếu oxy… và được cho là có ứng dụng lớn trong việc điều trị ung thư

Ngiên cứu về protein sốc nhiệt bắt đầu từ những năm 1930, cho đến nay đã có hàng nghìn công trình được công bố bởi các nước có nền khoa học tiên tiến như Anh, Pháp, Mỹ, Nga… Vì vậy sự tồn tại của HSP đã được biết đến từ rất lâu Ban đầu người

ta cho rằng protein này có thể chỉ bảo vệ tế bào khỏi bị tổn thương Sau đó người ta nhận thấy rằng HSP còn có một tính năng độc đáo đó là giúp tế bào hiển thị những kháng nguyên của hệ thống miễn dịch và do đó tăng cường phản ứng miễn dịch chống khối u

Mặc dù vậy việc điều trị ung thư sử dụng cơ chế protein sốc nhiệt vẫn chưa đạt được nhiều tiến bộ Cho đến đầu năm 2017, các nhà khoa học Nga tuyên bố đã tìm ra loại thuốc có thể chữa mọi loại ung thư kể cả ung thư giai đoạn cuối dựa trên protein sốc nhiệt Các nhà khoa học nước này cho biết họ đã thử nghiệm tiền lâm sàng loại thuốc này thành công trên chuột khi bị u ác tính và ghi nhận rằng protein sốc nhiệt hoạt động hiệu quả đối với mọi giai đoạn của bệnh mà hầu như không có tác dụng phụ hoặc độc tính nào

Trên thế giới nghiên cứu về HSP đã vươn đến một tầm cao, tuy nhiên ở Việt Nam HSP lại khá mới mẻ Các nhà khoa học lớn ở Việt Nam đã và đang bắt đầu tập trung tìm hiểu và nghiên cứu về HSP dựa trên những kinh nghiệm và kết quả đã được công bố trên thế giới Để có cái nhìn tổng quan hơn về HSP cũng như những ứng dụng tiềm năng

mà thế giới đã tìm thấy, nhằm mục đích tiếp nối những kết quả đã tìm được, rút ngắn thời gian nghiên cứu đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của loại protein này đối với Y Dược nước nhà, việc chúng ta cần làm trước tiên là cần có một bài tổng quan về HSP và những ứng dụng đã được tìm thấy ở HSP

Với một niềm hy vọng lớn trên con đường tìm kiếm những ứng dụng khả quan

về HSP, tôi đã thực hiện đề tại “ Tổng quan về protein sốc nhiệt (HSP) và ứng dụng trong Y Dược” với 2 mục tiêu:

1 Tổng quan protein sốc nhiệt (HSP): định nghĩa, cấu trúc, vai trò và định lượng tương tác giữa HSP và peptid

2 Đánh giá được các khả năng ứng dụng của HSP trong Y Dược

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PROTEIN VÀ PROTEOMICS [1]

1.1 Tổng quan về protein

1.1.1 Cấu trúc

Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân (polymer) mà các đơn phân (monomer) là acid amin Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết peptid (gọi là chuỗi polypeptid) Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein

Acid amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là nhóm cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là nguyên tử cacbon trung tâm đính với 1 nguyên

tử hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của acid amin Người ta đã phát hiện

ra có hơn 20 loại acid amin trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong

cơ thể sống

Trong không gian, protein có 4 bậc cấu trúc: Bậc I, Bậc II, Bậc III, Bậc IV

Hình 1.1: Bốn bậc cấu trúc của protein [1]

Bậc I: Là trình tự sắp xếp các acid amin trong chuỗi polypeptid Đầu mạch

polypeptid là nhóm amin của acid amin thứ nhất và cuối mạch là nhóm cacboxyl của acid amin cuối cùng Cấu trúc bậc một của protein thực chất là trình tự sắp xếp của các acid amin trên chuỗi polypeptid Cấu trúc bậc một của protein có vai trò tối quan trọng

vì trình tự các acid amin trên chuỗi polypeptid sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptid, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và do đó quyết định tính chất cũng như vai trò của protein Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các acid amin

có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein

Bậc II: Là sự sắp xếp đều đặn các chuỗi polypeptid trong không gian Chuỗi

polypeptid thường không ở dạng thẳng mà xoắn lại tạo nên cấu trúc bao gồm xoắn α và nếp gấp β được cố định bởi các liên kết hydro giữa những acid amin ở gần nhau Các protein sợi như keratin, collagen (có trong lông, tóc, móng, sừng) gồm nhiều xoắn α, trong khi các protein hình cầu có nhiều nếp gấp β hơn

Bậc III: Do cấu trúc bậc II uốn khúc lại, đặc trưng cho từng loại protein Các

xoắn α và phiến gấp nếp β có thể cuộn lại với nhau thành từng búi có hình dạng lập thể đặc trưng cho từng loại protein Cấu trúc không gian này có vai trò quyết định đối với hoạt tính và chức năng của protein Cấu trúc này lại đặc biệt phụ thuộc vào tính chất của nhóm -R trong các mạch polypeptid Chẳng hạn nhóm -R của cystein có khả năng tạo cầu disulfur (-S-S-), nhóm -R của prolin cản trở việc hình thành xoắn, từ đó vị trí của chúng sẽ xác định điểm gấp, hay những nhóm -R ưa nước thì nằm phía ngoài phân tử, còn các nhóm kị nước thì chui vào bên trong phân tử Các liên kết yếu hơn như liên kết hydro hay điện hóa trị có ở giữa các nhóm -R có điện tích trái dấu

Bậc IV: Do nhiều chuỗi polypeptid phối hợp với nhau tạo Các chuỗi polypeptid

liên kết với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết hydro

Ví dụ về cấu trúc bậc IV: Hemoglobin (Huyết sắc tố) gồm 4 tiểu phần protein: hai tiểu

phần α và hai tiểu phần β Nếu 4 tiểu phần tách rời nhau thì mỗi tiểu phần không thể vận chuyển được một phân tử O2 Khi kết hợp lại thành trạng thái tetramer tạo thành một khối không gian đặc thù gần như hình tứ diện thì mới có khả năng kết hợp và vận chuyển khí oxy Một phân tử hemoglobin vận chuyển được 4 phân tử oxy

Cấu trúc, nâng đỡ Collagen và Elastin tạo nên cấu trúc sợi rất bền của

mô liên kết, dây chằng, gân Keratin tạo nên cấu trúc chắc của da, lông, móng Protein tơ nhện, tơ tằm tạo nên độ bền vững của tơ nhện, vỏ kén

Protein

enzym

Xúc tác sinh học:

tăng nhanh, chọn lọc các phản ứng sinh hóa

Các enzym thủy phân trong dạ dày phân giải thức ăn, enzym amylase trong nước bọt phân giải tinh bột chín, enzym pepsin phân giải protein, enzym lipase phân giải lipid

Protein

vận chuyển

Vận chuyển các chất

Huyết sắc tố hemoglobin có chứa trong hồng cầu động vật có xương sống có vai trò vận chuyển Oxy

từ phổi theo máu đi nuôi các tế bào

Protein

vận động

chức năng vận động của tế bào và

Thụ quan màng của tế bào thần kinh khác tiết ra (chất trung gian thần kinh) và truyền tín hiệu

Protein

dự trữ

Dự trữ chất dinh dưỡng

Albumin lòng trắng trứng là nguồn cung cấp acid amin cho phôi phát triển Casein trong sữa mẹ là nguồn cung cấp acid amin cho con Trong hạt cây có chứa nguồn protein dự trữ cần cho hạt nảy mầm

1.2 Tổng quan về Proteomics (Proteome)

Từ "proteome" được cấu thành từ "protein" và "genome" Proteome của cơ thể sinh vật là tập hợp của tất cả các loại protein được sản xuất trong suốt cuộc đời chúng, cũng giống như khái niệm "genome" để chỉ tập hợp của các loại gen Thời kỳ “proteome” bắt đầu từ năm 1994 bởi Mark Wilkins và cộng sự ở Macqarie University tại Sydney, Australia, và nó bao hàm tất cả những protein trong tế bào, mô, hay cơ quan

Proteomics là môn khoa học rộng lớn nghiên cứu protein sản phẩm của gen, không chỉ bao gồm tất cả các protein của một tế bào nào đó, mà còn là tập hợp của tất

cả các dạng, những protein đã được cải biến, những tương tác giữa chúng, cấu trúc không gian và cả những phức hệ cao hơn của protein Nghiên cứu proteomics thường được coi như là bước tiếp theo trong quá trình nghiên cứu hệ thống sinh học

Việc giải mã hoàn chỉnh hệ gen người là một bước tiến lớn của nền khoa học nhưng đồng thời cũng đặt ra một thực tế là thông tin di truyền của bộ gen người cho biết không đầy đủ chức năng của nó Ở mức độ phiên mã, mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể trong nghiên cứu mức độ biểu hiện, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế, nhiều vấn đề không thể giải quyết được như: sau dịch mã, đa số các protein bị biến đổi hóa học bởi các quá trình cải biến, các tương tác protein-protein, các phản ứng với gốc cacbohydrat, gốc photphat Những biến đổi này đóng vai trò chủ yếu trong việc kích hoạt chức năng của protein Kết quả là từ một gen ban đầu có thể tìm thấy sự đa dạng

về biểu hiện, cấu trúc, và chức năng dưới nhiều loại protein khác nhau Có nhiều nghiên cứu cho thấy, ở người có 25.000 gen đã được nhận diện nhưng có khoảng lớn hơn 500.000 protein được tạo ra từ các gen đó Điều này làm tăng thêm phần khó khăn với những thay đổi do sự tác động cơ học, sự cải biến của các protein (các quá trình glycosyl hóa, phosphory hóa) và sự biến tính của protein Như vậy, mức độ biểu hiện gen không phản ánh đúng về số lượng protein có hoạt tính trong tế bào

Hình 1.2: Sự khác nhau giữa protein và proteomics [1]

Các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm đến proteomics bởi vì nó mang lại những hiểu biết về thế giới sinh học nhiều hơn so với những hiểu biết về cấu trúc cơ thể cũng như là hệ gen Từ khi protein đóng vai trò trung tâm trong cơ thể sống thì proteomics chính là công cụ hữu hiệu trong việc khám phá ra các chỉ thị sinh học, nhằm nhận diện các loại bệnh khác nhau Cơ thể con người thậm chí có thể có đến trên 2 triệu loại protein, mỗi loại đóng một vai trò khác nhau Tính chất không đồng nhất giữa các loại protein đã cho thấy sự đa dạng của protein không thể giải thích và mô tả hoàn toàn thông qua quá trình phân tích hệ gen Do đó proteomics được sử dụng hữu hiệu hơn trong việc nghiên cứu tế bào và các loại ô

Ngành khoa học Genomics nghiên cứu hệ thống gen của sinh vật và của con người đã phát triển thêm ngành genom - dược học (pharmacogenomics), ngành khoa học này nghiên cứu mối liên quan giữa bộ gen (genom) với sự phát minh ra các loại thuốc mới căn cứ trên cơ sở gen; tức là chữa bệnh bằng gen nên đã đáp ứng được hiệu quả tốt trong điều trị

Riêng ngành khoa học Proteomics nghiên cứu hệ thống protein của sinh vật và của con người với 4 mục đích chính là: tìm nguyên nhân nhiều bệnh còn chưa rõ căn nguyên, giúp chẩn đoán sớm nhiều bệnh, góp phần tối ưu trong việc điều trị nhiều bệnh

có hiệu quả, chế tạo được thuốc theo cơ chế phân tử Trên thực tế, một trong những nội dung ưu tiên của ngành khoa học Proteomics nghiên cứu hệ thống protein của sinh vật

và của con người là tìm hiểu và điều trị bệnh ung thư mà hiện nay còn là vấn đề chưa được giải quyết một cách cơ bản

HSP (Heat shock protein) là một nhánh của Proteomics Đặc điểm và ứng dụng của chúng sẽ được tổng hợp và bàn luận trong phần Tổng quan dưới đây

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HSP

Protein sốc nhiệt (HSP) là một họ các protein được sản xuất bởi các tế bào để đáp ứng với những điều kiện căng thẳng (stress) Chúng được mô tả lần đầu tiên trong mối quan hệ với cú sốc nhiệt [83] nhưng hiện cũng được thể hiện trong các cú sốc khác bao gồm tiếp xúc với lạnh [59], tia UV [12], và trong quá trình chữa lành vết thương hoặc thay mô [51] Nhiều thành viên của nhóm này thực hiện chức năng chaperon bằng cách

ổn định các protein mới để đảm bảo sự cuộn gấp chính xác hoặc bằng cách giúp tái tạo protein đã bị hư hỏng do tế bào bị stress [20] Sự tăng biểu hiện này được điều hòa ở cấp

độ phiên mã Sự gia tăng đột ngột các protein sốc nhiệt là một phần quan trọng của phản ứng sốc nhiệt và được gây ra chủ yếu bởi yếu tố sốc nhiệt - heat shock factor (HSF) [116] HSP được tìm thấy trong hầu hết các sinh vật sống, từ vi khuẩn cho đến con người

Protein sốc nhiệt được đặt tên theo khối lượng phân tử của chúng Ví dụ, HSP60,

HSP70 và HSP90 (các HSP được nghiên cứu nhiều nhất) để chỉ các họ của protein sốc nhiệt theo thứ tự lần lượt là 60, 70 và 90 kilodalton [52]

Các sinh vật đã thích nghi với nhiệt độ tăng trưởng từ điểm đóng băng của nước tới 113 °C Tuy nhiên, như là một stress chính, nhiệt đại diện cho một rào cản đáng kể cho sự sống Đối với tất cả sinh vật sống, nhiệt độ chỉ ở mức vừa phải so với nhiệt độ tăng trưởng tối ưu tương ứng là một vấn đề thách thức cho sự sống còn

Các thí nghiệm về ảnh hưởng của nhiệt trên ruồi giấm Drosophila đã được thực hiện vào những năm 1930 [26] Sự xuất hiện của các mồi nhiễm sắc thể mở rộng sau khi sốc nhiệt cho thấy sự bắt đầu phiên mã tăng cường ở nơi đó [83] Trong những năm tiếp theo, việc xác định gen sao chép và các protein tương ứng là trọng tâm của nghiên cứu stress và thuật ngữ protein shock nhiệt đã được đặt ra (Hsp) Các hiện tượng tương tự cũng được quan sát thấy trong các sinh vật nhân sơ và các sinh vật nhân chuẩn khác, cho thấy phản ứng sốc nhiệt là một cơ chế phổ cập và lâu đời Từ thời điểm đó, lĩnh vực này bắt đầu mở rộng theo các hướng khác nhau Hai lĩnh vực điều tra chính là phân tích chức năng của Hsps [56] và sự điều hòa trong phản ứng stress

2.3 Phân loại HSP

Các protein gây sốc nhiệt chính có hoạt động chaperon thuộc 5 lớp bảo tồn: HSP60, HSP70, HSP90, HSP100 và các protein sốc nhiệt nhỏ (sHSP) [92] Một số chaperon phân tử gây ra bởi nhiệt khác như HSP33 cũng được biết đến, vì nó không phổ biến nên chúng không được xếp vào một lớp riêng biệt

Protein trong tế bào nhân thật Chức năng

một thành viên trong động vật có vú bao gồm Hsp27, HSPB6 hoặc HspB1 [45]

kháng nguyên 60kDa

protein sau khi chuyển sang ty thể hoặc lục lạp

gồm Hsp71, Hsp70, Hsp72, Grp78, Hsx70 chỉ có ở loài linh trưởng

Gấp lại và mở rộng protein, giúp tế bào dung nạp nhiệt khi tiếp xúc với stress nhiệt Cũng ngăn ngừa sự gấp nếp protein trong quá trình vận chuyển sang ty thể / lục lạp

2.4 Tác hại của Nhiệt

Một trong những khía cạnh tuyệt vời nhất của phản ứng sốc nhiệt là nó được kích hoạt bởi một sự gia tăng nhiệt độ chỉ là một vài độ Điều này thậm chí đúng với các sinh vật sống ở nhiệt độ khắc nghiệt [9] Giải pháp cho câu hỏi hóc búa này nằm ở tính năng động của protein: chúng cần phải linh hoạt về cấu hình để thực hiện các chức năng của chúng trong tế bào Chúng được cải tiến để chỉ ổn định nhẹ ở nhiệt độ tăng trưởng tương ứng Nhiệt độ tăng nhỏ có thể gây ra hiện tượng không cuộn gấp, vướng mắc, và sự kết tập không đặc hiệu Nhiều ảnh hưởng hình thái và kiểu hình của stress nhiệt có thể được giải thích bằng sự kết hợp các protein và sự mất cân bằng của sự cân bằng protein nói chung Do đó hợp lý để giả định rằng sự tích tụ có hại của các protein không cuộn gấp

là tín hiệu để bắt đầu các biện pháp chống lại Nó cho thấy phản ứng sốc nhiệt được kích hoạt bởi các protein không gấp là kết quả của nhiều stress, bao gồm stress oxy hoá, kim loại nặng, ethanol, hoặc các chất độc hại khác [17]

Sốc nhiệt có ảnh hưởng xấu đến việc tổ chức nội bộ tế bào vượt ra ngoài sự cuộn gấp của các protein riêng biệt [104] Đặc biệt ở tế bào nhân thật, một trong những thiệt hại lớn quan sát thấy trong điều kiện stress là các khiếm khuyết của bộ khung tế bào Stress nhiệt nhẹ dẫn đến sự tái tổ chức các sợi actin thành các sợi stress, trong khi stress nhiệt nặng gây ra sự kết hợp của vimentin hoặc các protein mà hình thành sợi khác, dẫn tới sự sụp đổ của mạng trung gian, actin và tubulin Cùng với sự gián đoạn của bộ khung

tế bào, sự mất vị trí chính xác của các cơ quan và sự phân hủy các quá trình vận chuyển nội bào cũng được quan sát thấy Hệ thống Golgi và lưới nội chất bị phân mảnh trong điều kiện stress và số lượng ty thể và lysosom giảm Sự tách rời của quá trình phosphoryl oxy hóa và sự mất ty thể có liên quan tới mức giảm ATP trong suốt quá trình chịu nhiệt

Hình 2.1: Ảnh hưởng của sốc nhiệt đối với tổ chức tế bào nhân thật [104]

Một tế bào nhân thật không bị stress (trái) được so sánh với một tế bào dưới stress nhiệt (phải) Stress nhiệt dẫn đến thiệt hại cho bộ khung tế bào, bao gồm tái tổ chức các sợi actin (xanh) thành sợi stress và sự kết hợp của các sợi nhỏ khác (microtubuli, đỏ) Các

cơ quan như Golgi và lưới lưới nội chất (màu trắng) bị phân mảnh và tháo rời Số lượng

và sự toàn vẹn của ty thể (xanh lá cây) và lysosom (màu vàng trắng) giảm Các hạt nhân, các vị trí của sự kết hợp ribosom (vàng), các lắng đọng hạt lớn bao gồm các protein ribosom trở nên rõ ràng Cuối cùng, có những thay đổi trong hình thái màng tế bào, sự kết hợp của các protein màng và sự gia tăng màng tế bào Tất cả những ảnh hưởng này dẫn tới việc ngăn cản chu kỳ tế

Sốc nhiệt cũng ảnh hưởng đến các quá trình của nhân tế bào Nhìn chung, việc tạo RNA bị ảnh hưởng mạnh bởi sốc nhiệt Nhân tế bào, các vị trí của sự kết hợp ribosom, và các lắng đọng hạt lớn bao gồm các RNA ribosom đã được chế biến không chính xác [8] Trong dịch bào, hạt stress được hình thành Đây là các cấu trúc ARN lớn, chứa các mRNA không phân tách, các thành phần bắt đầu chuyển dịch, và các protein khác ảnh hưởng đến chức năng mRNA [70] Sự hình thành của chúng tương quan với

sự giảm dịch toàn thể, một trong những dấu hiệu đầu tiên của phản ứng sốc nhiệt Cuối cùng, ngoài protein và RNA, màng tế bào có thể bị ảnh hưởng nặng nề do sốc nhiệt Sự thay đổi hình thái màng tế bào được quan sát cùng với sự thay đổi tỷ lệ protein và lipid

và sự lưu thông của màng [47] Sự thẩm thấu màng tăng cường dẫn đến sự giảm pH dịch bào và sự thay đổi cân bằng nội môi ion

Cùng với đó, những ảnh hưởng này dẫn tới việc ngăn trở chu kỳ tế bào và ức chế của sự tăng trưởng và phát triển Tùy thuộc vào thời gian và mức độ nghiêm trọng của sốc nhiệt, sự tích tụ khuyết tật có thể dẫn đến sự chết của tế bào Điều quan trọng là, nếu

sốc nhiệt không gây chết người, nó có thể dẫn đến khả năng chịu đựng những stress nghiêm trọng hơn và có khả năng chịu đựng cả các stress gây chết người khác Mức tăng Hsp được tổng hợp để đáp ứng các điều kiện stress là cơ sở cho sự chống lại này Điều thú vị là “ sự bảo vệ chéo” có thể xảy ra: Hsp gây ra bởi một loại stress cung cấp sự bảo

vệ chống lại những stress khác [54]

HSP có liên quan đến việc kích thích và tạo ra cả miễn dịch bẩm sinh và miễn dịch đáp ứng HSP có khả năng gắn với các peptid kháng nguyên và giao cho các APC (tế bào trình diện kháng nguyên) - đây là nền tảng của việc tạo ra đáp ứng tế bào lympho

T của peptid cả ở invitro và invivo HSP có mặt ở mọi nơi, chúng có mặt trong tất cả các

sinh vật và trong các khoang tế bào khác nhau, chức năng ưu việt của chúng là gấp lại

và mở rộng protein [56] Từ quan điểm miễn dịch học, HSP đã được cho rằng có liên quan đến việc kích thích hệ thống miễn dịch tự nhiên và miễn dịch đáp ứng [97] Như vaccin, HSP tham gia vào các thử nghiệm lâm sàng pha II và III đối với liệu pháp miễn dịch ung thư [98] Cơ sở cấu trúc của liên kết peptid và mô hình động học của sự tương tác các phối tử được hiểu cho 1 số thành viên của họ HSP đặc biệt là HSP70 và HSP90 nhưng làm cách nào các HSP có thể ảnh hưởng đến các chức năng miễn dịch vẫn còn chưa rõ ràng Mặc dù các họ HSP khác nhau không liên quan tới cả di truyền và hóa sinh nhưng lại có 1 sự đồng nhất đáng kể trong các thành viên của cùng 1 họ HSP [54] Tuy nhiên điều này đã dẫn đến giả định sai lầm rằng tất cả các HSP được tạo ra công bằng và có cùng hiệu quả sinh học HSP70 của vi khuẩn dường như kích thích được đáp ứng miễn dịch bẩm sinh mạnh mẽ hơn HSP70 của người, từ đó nhấn mạnh rằng các biến thể phát sinh loài có thể chịu trách nhiệm về kết quả sinh học khác nhau [24] Việc hiểu biết về tương tác giữa HSP- peptid ảnh hưởng đến sự hiểu biết về vai trò của HSP trong phản ứng miễn dịch đáp ứng

Ngược lại HSP70 có 2 miền (hình 2.2 B):

+ Đầu N (NBD) 44kDa có hoạt tính ATPase và liên kết với cochaperon HSP70

+ Đầu C 27kDa bao gồm SBD và vùng “nắp” Hai miền này được kết nối bởi 1 liên kết bảo tồn [41], quan trọng cho sự kết nối giữa các miền bên trong

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc miền HSP90 của nấm men (A) và HSP70 của E.Coli (B) [79]

HSP90 có đầu N –NBD (màu xanh lá cây) có thể chứa 1 thành phần gắn kết peptid Phân đoạn giữa (màu vàng) tương tác với protein và cũng đóng góp một vòng lặp xúc tác sự thủy phân ATP Miền đầu C (màu đỏ) HSP70 có 2 miền chính: đầu N-44kDa của NBD( màu xanh lá cây) và miền đầu C 27kDa (màu vàng và đỏ) Khu vực này bao gồm miền liên kết cơ chất chính (màu vàng 18kDa), vùng nắp xoắn ốc α (màu đỏ, 10kDa)

Cả 2 phân tử (HSP90 và HSP70) đều có 1 vùng liên kết màu xanh được cho là có vai trò làm trung gian giữa các miền phụ chính

Cơ sở kết cấu của sự liên kết peptid được hiểu rõ nhất đối với HSP70 vì cả cấu trúc tinh thể [101] và dung dịch của SBD của HSP70 đã tạo phức hợp với một peptid

mô hình (NRLLLTG) đã được tìm thấy HSP70 có một vị trí gắn kết peptid với một

kênh kị nước bao bọc bởi một vòm cung cho phép tiếp cận với peptid (hình 2.3)

Hình 2.3: Sơ đồ của SBD của DnaK( E.Coli) [101]

Sự trình bày cấu trúc thứ cấp của SBD của DnaK trong việc thể hiện một phần không gian được lấy từ cấu trúc tinh thể của miền đầu C gắn với peptid NRLLLTG (thể hiện bằng màu hồng) ; SBD bao gồm các phiến nếp gấp β gồm khe liên kết peptid và vùng nắp xoắn α Một vòm được hình thành bởi các acid amin M404 và A429 (màu xám) bao quanh xương sống peptid và một túi sâu được hình thành bởi acid amin V436 (xanh lá cây) có thể chứa các chuỗi bên kị nước

Từ cấu trúc tinh thể ban đầu của SBD của DnaK (Hsp70 của Escherichia coli) với một peptid gắn kết, Hendricksen và các đồng nghiệp đã đề xuất một mô hình cho sự gắn kết peptid phụ thuộc vào các hoạt động dị lập thể trung gian bởi sự trao đổi nucleotid Việc công bố gần đây của phân tử HSP70 hoàn chỉnh đầu tiên xác nhận mô hình này Gắn ATP sẽ mở nắp xoắn và cho phép peptid tiếp cận đến khoang cơ chất (vị trí gắn cơ chất) Sau khi thuỷ phân ATP tạo ADP nắp được đóng lại, dẫn đến tốc độ và tỉ lệ peptid chậm hơn Sẽ không đúng khi nghĩ về trạng thái ATP là "mở" và trạng thái ADP là

"đóng" bởi vì cả hai trạng thái tồn tại với một trong hai nucleotid gắn kết, nhưng sự cân bằng năng lượng là sự chuyển dịch giữa 2 trạng thái: trạng thái "mở" (ái lực peptid thấp) tức trong trạng thái ATP và trạng thái "đóng" (ái lực peptid cao) tức trong trạng thái

ADP (hình 2.4)

Hình 2.4: Mô hình động học tương tác của DnaK với cơ chất [101]

(A): sự tương tác ban đầu của peptid với DnaK trong cấu trúc "mở" kích thích sự thủy phân ATP bằng DnaJ và sự bẫy của peptid Sự trao đổi nucleotid do GrpE tạo ra cho phép tái lập ATP và tương tác với một cơ chất mới

(B): mô hình các trạng thái ATP và ADP của DnaK Ở cả hai trạng thái, miền ràng buộc cơ chất mở và đóng theo định kỳ, sự khác biệt chủ yếu là tỷ lệ chuyển đổi giữa hai trạng thái Kích thước của các biểu tượng đại diện cho tần số tương đối của một cấu hình nhất định trong một quần thể các protein DnaK

Một số loại tương tác góp phần vào việc liên kết với cơ chất của HSP70 Các liên kết hydro hình thành giữa bộ khung peptid và hai trong số các vòng của SBD Tương tác Vander Waals giữa dư lượng chuỗi peptid bên và bề mặt khe hở liên kết với cơ chất của liên kết peptid với HSP70 Đây là những liên kết mạnh nhất ở một acid amin đơn kị nước (V436 ở E coli) tạo ra một túi sâu được thiết kế phù hợp để chứa các chuỗi lớn kị

nước như leucin (vị trí xác định 0, L4 (đậm) trong NRLLLTG) (hình 2.3) Một vòm

được hình thành bởi các đoạn acid amin M404 và A429 bao quanh khung peptid gắn kết

thông qua tiếp xúc với acid amin ở các vị trí -1 và +1 Có một số điểm tương đồng với

sự liên kết peptid bởi các phân tử MHC lớp I, vì HSP70 cũng liên kết với các peptid trong một cấu trúc mở Tuy nhiên, các phân tử MHC loại I có hai túi để gắn kết peptid,

có thể giữ lại các acid amin ở hai đầu của peptid và đảm bảo độ dài của peptid là nhất định HSP70 chỉ có một túi (V436 trong E coli), cho phép nó liên kết các peptid có chiều dài từ bảy đến hàng trăm acid amin

Một điểm quan trọng cần lưu ý là HSP70 tương tác với các chuỗi polypeptid không gấp , với một số ngoại lệ như gen ức chế khối u p53 Trong một chuỗi polypeptid không gấp, HSP70 liên kết với các chuỗi peptid ngắn bao gồm một lõi của năm acid amin kị nước được bao bọc bởi các acid amin cơ bản Những trình tự này xảy ra với mỗi

30 đến 40 acid amin trong hầu hết các protein nhưng ở trạng thái gấp lại tự nhiên của chúng thì không thể tiếp cận với HSP70, mà bị chôn trong lõi kị nước Do đó, đối với HSP70 tham gia vào quá trình xử lý và trình bày kháng nguyên, phần lớn các phối tử của nó cần phải là các chuỗi peptid hoặc các chuỗi polypeptid không gấp, nghĩa là được

xử lý trái ngược với các protein tự nhiên Điều này trở nên quan trọng khi xem xét vai trò sinh lý của HSP trong trình bày kháng nguyên

2.6.1 Vai trò như chaperon

Một số protein gây sốc nhiệt có chức năng như chaperon trong tế bào cho các protein khác Chúng đóng một vai trò quan trọng trong sự tương tác protein-protein như gấp lại và hỗ trợ tạo ra hình dạng protein thích hợp và ngăn ngừa sự kết hợp protein không mong muốn Bằng cách giúp ổn định một phần các protein không gấp, HSP giúp vận chuyển các protein qua các màng trong tế bào [111]

Các protein sốc nhiệt đi kèm các protein tế bào khác, bảo vệ chúng khỏi bị lạc đường, cuộn gấp không đúng cách hoặc lắp sai trong khi tạo thành các khối lớn hơn Protein là những phân tử thực thi các chức năng của sự sống, và để tạo ra những protein với đầy đủ chức năng, tế bào phải thực hiện những quá trình cực kỳ nghiêm ngặt Nhờ hoạt động của những siêu cấu trúc gọi là ribosom, những acid amin được nối lại thành các chuỗi polypeptid không phân nhánh Mỗi chuỗi polypeptid này sau đó được cuộn chặt để thành một hình dạng với bề mặt đặc trưng và cần thiết của mỗi phân tử protein

1) những phân tử "chaperon" giúp protein tạo hình lại và

2) các protease để phân hủy các protein sai hỏng cấu hình Khi nhiệt độ xung quanh tế bào tăng cao, hoạt động của chaperon và protease có thể bị quá tải do lượng protein sai hỏng quá nhiều và hiện tượng kết vón protein lại diễn ra Hiện tượng này rất quan trọng trong bệnh lý vì có thể dẫn đến những bệnh liên quan hệ thần kinh như Parkinson

Tất cả các chaperon phân tử đều tương tác với một loạt các protein ở dạng không gấp [10] Để phân biệt một protein native với các non-native, có một phần hoặc toàn phần không gấp là sự gia tăng các acid amin kị nước, một tính năng được nhận biết bởi chaperon phân tử Liên kết có thể xảy ra đối với các mảng kị nước, các chuỗi peptid cụ thể, hoặc các yếu tố cấu trúc của các protein non-native Nói chung, chaperon phân tử không đóng góp thông tin cấu trúc cho việc cuộn gấp, nhưng ngăn ngừa các tương tác liên phân tử không mong muốn Chúng làm điều này thông qua liên kết có kiểm soát với các protein non-native và giải phóng chúng, thường được thực hiện bằng sự thay đổi ái lực của chaperon với cơ chất của nó Sự thay đổi giữa ít nhất hai trạng thái ái lực được kiểm soát bởi sự gắn kết và thủy phân của ATP trong hầu hết các họ chaperon, ngoại trừ

Thông tin quyết định việc tạo hình chính xác từng vị trí là nằm ở trình tự của chuỗi acid amin, trình tự này đã được dịch mã tương ứng từ thông tin di truyền trên mRNA do đã được sao chép từ gen tương ứng Tuy nhiên, để có thể tổng hợp một lượng protein đủ nhanh, mỗi phân tử mRNA thường được dịch mã cùng một lúc bởi nhiều ribosom Điều này dễ dàng làm cho các chuỗi polypeptid mới được cuộn xoắn từng phần bám chặt lẫn nhau vì chúng nằm quá gần và có cấu trúc giống hệt nhau Đống protein hổ này không thể tiếp tục cuốn xoắn bình thường và cũng không thể thực hiện các chức năng sinh học được nữa

Vấn đề cực kỳ phổ biến ở mọi loài sinh vật này đã được giải quyết bởi một nhóm protein có tên là chaperon mà hiện giờ người ta đã phát hiện hơn 50 họ protein khác nhau trong nhóm này Việc protein tạo hình sai hoặc kết vón lẫn nhau là một mối đe dọa đến sự tồn tại của tất cả các sinh vật sống Do đó, tế bào đã phát triển các hệ thống kiểm soát chất lượng protein thông qua

các sHsp Loại thứ hai dường như được tối ưu hóa để kết hợp hiệu quả các protein non-native, do đó trình bày một hàng phòng vệ hiệu quả đầu tiên

Các HSP có chức năng chaperon (xem hình 2.5)

(1) GroE (hình 2.5)

Một họ protein được nghiên cứu kỹ nhất là chaperonin GroEL–GroES, thường gặp ở các loài vi khuẩn Phức hợp GroEL–GroES ngăn cản sự bám dính những chuỗi polypeptid đồng loại bằng cách nhét riêng rẽ chúng vào trong những cấu trúc dạng túi của nó Tại đây các chuỗi polypeptid có thể tiếp tục thực hiện quá trình tạo hình của mình mà ko bị dính với các chuỗi khác

Trong vi khuẩn, chaperonin nổi bật nhất là bộ máy GroE Nó bao gồm 14 tiểu đơn vị GroEL, được sắp xếp trong một ống của hai vòng heptameric, mà các cochaperon GroES, cũng là một vòng heptameric [28] Các chuỗi protein non-native ở khoảng kích thước phân tử lên đến 60 kDa có thể bị ràng buộc trong khoang trung tâm của ống GroEL [36] GroEL đóng gói một protein non-native trong mỗi khoang, và khoang sau đó đóng lại bởi sự kết dính của cofactor GroES với sự hiện diện của ATP [31]

Cách mà GroEL góp phần chống lại stress là dễ dàng hợp lý hóa Thứ nhất, nó liên kết với một số lượng lớn các protein non-native; khoảng 50% các protein của E coli có thể liên kết với GroEL [110] Thứ hai, nó cô lập chuỗi polypeptid riêng cho chu trình thủy phân ATP Trong thời gian này, chúng có thể gấp lại, hoặc chúng có thể đạt được cấu trúc tự nhiên (native) sau khi giải phóng khỏi GroE, tùy thuộc vào tính chất gấp của protein tương ứng Do đó, một protein liên kết với GroE có thể bắt đầu gấp lại trong sự cô lập tuyệt vời không bị ảnh hưởng bởi các chuỗi polypeptid non-native khác Nhược điểm của cơ chế này là một lượng lớn GroE được yêu cầu để bẫy một phần đáng

kể các protein không gấp trong điều kiện stress Điều này ngụ ý rằng có một giới hạn đối với hiệu quả bảo vệ của GroE, vì thế mức độ biểu hiện tăng lên của GroE là rất hạn chế

Đáng ngạc nhiên là không có GroE trong tế bào eukaryotic (tế bào nhân thật) hoặc archaeal (tế bào nhân sơ của vi khuẩn cổ) Tuy nhiên, nó đã được thay thế bởi một

họ hàng xa, bộ máy CCT hoặc TRiC, kết cấu và chức năng của nó giống với của GroE [21] Điều thú vị là, phổ cơ chất của chaperonin eukaryotic có thể bị giới hạn hơn [117],

và, quan trọng hơn và đáng ngạc nhiên, chúng không phải là protein sốc nhiệt trong các

sinh vật nhân thật này TRiC thực sự bị tăng biểu hiện dưới điều kiện stress trong nấm men [22]

(2) HSP70 (hình 2.5)

Một trong những chaperon được bảo tồn cao nhất là Hsp70 Trong tế bào prokaryote, HSP70 được gọi là DnaK, tương tự đến 60% so với các Hsp70 Eukaryote, được tìm thấy trong dịch bào và trong các cơ quan, như ty thể và chất lục lạp Trong các điều kiện sinh lý, Hsp70 tham gia vào việc gấp nếp các protein, và dưới điều kiện stress chúng ngăn cản sự tập hợp các protein không gấp và thậm chí có thể làm lại các protein sau tập hợp [60] Hsp70 bao gồm hai miền, một miền ATPase và một miền liên kết protein Phần liên kết có thể chứa một đoạn bảy, chủ yếu là các phân tử kị nước, các acid amin trong các cấu trúc mở [118] Tương tác giữa Hsp70 với các phân đoạn của polypeptid không có cấu trúc phụ thuộc vào ATP vì nó liên kết các cơ chất với ái lực cao trong trạng thái ADP mất nước Hoạt động của Hsp70 được điều chỉnh bởi các cofactor Lớp lớn nhất của các cofactor Hsp70 là nhóm các protein chứa Hsp40/protein

có chứa miền J [44] Chúng liên kết với các protein non-native và đưa nó đến Hsp70 Các miền J của các protein này tương tác với miền ATPase của Hsp70 và kích thích sự thủy phân của ATP Việc giải phóng nucleotid và cơ chất được đẩy mạnh hơn nữa bởi các yếu tố trao đổi nucleotid Mặc dù nhiều đặc điểm của chu trình thuỷ phân này đã được xác định, nhưng sự đóng góp của Hsp70 đối với quá trình gấp lại của một protein hoặc để phá vỡ sự tập hợp [27] vẫn là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết

(3) Hsp90 (hình 2.5)

Hsp90 có mặt ở nồng độ rất cao trong dịch bào của tế bào vi khuẩn và tế bào eukaryote trong điều kiện sinh lý, và nó được tăng lên dưới điều kiện stress [113] Chaperon này đặc biệt theo nhiều cách:

+ Thứ nhất, nó không có vẻ hỗn tạp trong phổ cơ chất của nó như GroE hoặc Hsp70 [76]

+ Thứ hai, nó không liên kết với các protein không gấp, mà là các protein giống protein native [40]

+ Thứ ba, nó dường như đã phát triển từ một hệ thống thành phần duy nhất trong

prokaryote sang bộ máy chaperon tinh vi nhất được biết đến trong sinh vật nhân chuẩn,

làm việc cùng với một nhóm cochaperon lớn kết hợp theo một trật tự xác định trong chu

kỳ chaperon [74]

Điều thú vị là, trong điều kiện stress, chỉ có hai trong số những cochaperon này được điều chỉnh tăng lên khi stress trong nấm men đó là: Sti 1 và prolyl isomerase Cpr6 [22] Sti 1 là chất ức chế không cạnh tranh của Hsp90 ATPase [81] giữ cho Hsp90 trong một cấu hình có thể tạo thuận lợi cho sự tương tác giữa Hsp90 với các protein cơ chất nhưng tránh được những thay đổi về cấu hình cần thiết cho quá trình xử lý cơ chất [33]

Vì vậy, trong điều kiện gây sốc, Sti 1 có thể cho phép Hsp90 thực hiện chức năng giữ (holdase) cơ bản hơn là để ngăn chặn sự kết hợp của các protein không gấp Cho dù phổ

cơ chất của Hsp90 thay đổi theo điều kiện stress là một vấn đề quan trọng Điều gì xảy

ra đối với các cơ chất liên kết Hsp90 khi khôi phục các điều kiện sinh lý cũng cần được xác định

(4) Hsp100

Họ Hsp100 bao gồm một nhóm được bảo tồn của AAA ATPase - có trong vi khuẩn bao gồm các protein ClpA, ClpB, ClpC, ClpE, ClpY, và các loại khác Các protein tương tự cũng được tìm thấy trong ty thể cũng như ở thực vật, nấm men và động vật có

vú [6]

Các protein Hsp100 được chia thành hai lớp dựa trên số lượng các miền AAA + Hsp100, protein lớp 1 là cấu trúc hexameric năng động có chứa hai vị trí liên kết nucleotid khác nhau trong mỗi monomer [58], đúng đối với các protein vi khuẩn ClpA, ClpB, ClpC, và ClpE cũng như các đồng đẳng của chúng trong thực vật (bao gồm ClpD) Hsp104 của nấm men

+ Các protein tương tự, chỉ chứa một mô-đun liên kết nucleotid (Hsp100, lớp 2), bao gồm các protein ClpX và ClpY [90]

Khi protein đã bị kết vón thì coi như đã bị hỏng hoàn toàn vì các phân tử chaperon trước đây chỉ có thể ngăn ngừa việc kết vón và tái tạo những protein sai hỏng cấu hình Tuy nhiên, trong những năm 1990, Lindquist và cộng sự đã phát hiện một nhóm protein cảm ứng nhiệt Hsp (Heat shock protein) ở nấm men Saccharomyces cerevisiae, gọi là Hsp104 Hsp104 là nhân tố thiết yếu cho quá trình chịu nhiệt, một trạng thái sinh lý cho phép tế bào có thể chống chịu stress sau khi xử lý nhiệt tăng cường Những nghiên cứu sau này cho thấy cơ chất của Hsp104 là những cục vón protein được tạo ra trong quá

trình chịu nhiệt Những tế bào nấm men mang Hsp104 mất chức năng thì sẽ không còn khả năng làm tan và hoạt hóa lại những protein đã bị kết vón [72] Chức năng của Hsp104 được tìm thấy ở các đại diện vi khuẩn thực, thực vật và ty thể Và những protein đồng dạng với Hsp104 như ClpB, Hsp101 và Hsp78 cũng là những phân tử thiết yếu của phản ứng chịu nhiệt và chống chịu kết vón protein

Hsp104/ClpB thuộc vào siêu họ protein AAA+, chúng có miền ATPase cũng với các miền tương tác với nhiều loại protein nội bào và protein thuộc Clp/Hsp100 Hai nhóm protein này có độ tương đồng cao về trình tự ở các domain AAA, vùng chức năng quan trọng để thủy phân ATP và tạo phức hệ protein (oligomer hóa) Thông thường, những protein AAA+ thường tạo thành những phức hệ 10 phân tử đồng dạng (homohexamer) có hình chiếc nhẫn Cấu hình này có thể tháo và lắp dễ dàng và phù hợp với các phức hệ cơ chất phức tạo khác nhau

(5) HSP nhỏ (sHSP) (hình 2.5)

Họ sHsp biểu hiện một sự khác biệt hơn về sự bảo vệ protein khỏi sự kết hợp không thể đảo ngược bằng các tương tác có thể đảo ngược với chaperon Chúng bao gồm các họ được bảo tồn phổ biến nhất và kém phổ biến nhất của các chaperon phân tử Chúng cho thấy sự không đồng nhất cao cả về trình tự và kích cỡ [46] Đặc điểm phổ biến của chúng là khu vực α-crystallin được bảo tồn, đề cập đến thành viên nổi bật nhất, protein α-crystallin [37] sHsp thường hình thành các oligomer năng lượng lớn, thường bao gồm 24 tiểu đơn vị [108] Về mặt chức năng, sHsp là những chaperon độc lập với ATP, nó tương tác với một số lượng lớn các protein mục tiêu gập lại một phần để ngăn chặn sự tập hợp của chúng khi stress [32] Theo quan điểm hiện tại, sHsp phục vụ như một kho lưu trữ cho các protein không gấp, chúng có thể được gấp lại trong sự hiện diện của các chaperon khác như các protein Hsp70 và Hsp100 [67] Dường như sHsp không chỉ có thể tạo thành các phức hòa tan với những client không gấp của chúng mà đôi khi, đặc biệt là khi protein không gấp với lượng rất lớn trong tế bào, chúng bị cô lập thành các khối kết tụ Điều này dường như là một đặc điểm đặc biệt liên quan đến chức năng holdase thụ động của chúng ảnh hưởng đến cấu trúc của các khối kết tụ và sự sửa chữa của chúng bởi các chaperon phụ thuộc vào ATP [32]

Hình 2.5: Các HSP có chức năng chaperon phân tử [111]

Mô hình chaperon: Nói chung, các protein gấp lại bằng các chất trung gian (I1, I2) từ trạng thái không gấp (U) đến trạng thái gấp lại (N) Trong điều kiện gây sốc bằng nhiệt, quá trình này được cho là bị đảo ngược Các chaperon phân tử liên kết các protein trong các cấu hình non-native Sự chuyển đổi từ trạng thái gắn kết với ái lực cao sang trạng thái giải phóng với ái lực thấp thường được kích hoạt bởi sự liên kết và thủy phân ATP trong GroE: bộ máy GroE trong vi khuẩn, ty thể và lục lạp bao gồm hai vòng giống nhau bao quanh mỗi khoang trung tâm Protein non-native bị ràng buộc bởi các vùng đỉnh của các vòng, và khi có sự liên kết của ATP và cochaperon GroES, protein được đóng gói và giải phóng vào khoang Một phức hợp bao gồm GroEL và hai GroES, cochaperon hay chỉ là một GroES ràng buộc vẫn đang gây tranh cãi; do đó GroES thứ hai được hiển thị với đường nét đứt Quá trình thủy phân ATP trong một vòng kết quả sẽ giải phóng protein GroES và cơ chất từ vòng đối diện Trong quá trình đóng gói, protein có thể gấp lại một phần hoặc hoàn toàn, tùy thuộc vào đặc tính của protein cơ chất tương ứng

Hsp70: Hệ thống Hsp70 bao gồm hai cochaperon, một protein kích hoạt (Hsp40) và một yếu tố trao đổi nucleotid (NEF) Protein hoạt hóa có thể liên kết các protein non- native

và đưa nó đến Hsp70 Nó tạo thành một phức hợp với Hsp70 và kích thích ATPase của nó Đường đứt trong phức hợp Hsp70-ATP chỉ ra sự tương tác tạm thời Nó cũng có thể điều chỉnh cấu tạo của Hsp70 để ổn định trạng thái gắn kết protein cơ chất Hsp70 liên kết với một đoạn của bảy axid amin trong cơ chất NEF sẽ gây ra việc trao đổi nucleotid Điều này làm tăng thêm chu kỳ ATPase

Hsp90: Trong hệ thống chaperon này một số lượng lớn protein hoạt động cùng nhau Thứ nhất, đối với một số protein cơ chất, Hsp70 cung cấp cơ chất cho Hsp90 Không rõ liệu điều này có đúng cho tất cả các protein cơ chất không và liệu điều này cũng xảy ra trong điều kiện stress không Hơn 12 cochaperon của Hsp90 tồn tại trong sinh vật nhân chuẩn, dường như để điều chỉnh hệ thống Một trong số chúng, Sti1/Hop, liên kết cả Hsp70 và Hsp90 và đồng thời ức chế ATPase Hsp90 (trong nấm men) Trong phức hợp này, cũng chứa một PPIase cochaperon, protein cơ chất được chuyển từ Hsp70 sang Hsp90 Sti1/Hop được giải phóng khi Hsp90 kết hợp nucleotid và một cochaperon khác (p23) Trái ngược với các chaperon khác, protein tạo phức với Hsp90 được cho là bị ràng buộc và giải phóng như một chất trung gian cấu trúc (như I2, xem phần chaperon chung)

ClpB/Hsp104: Trong vi khuẩn và nấm men, chất chaperon này có thể hòa tan các mảng kết tụ bằng cách tích cực kéo các protein thông qua một kênh trung tâm của cấu trúc hexameric Mỗi protomer chứa hai vị trí ATPase, có đặc điểm khá khác biệt về sự thu nhận và chức năng Trong quá trình đi qua phức hợp chaperon, protein cơ chất được

mở ra Việc gấp lại có thể xảy ra khi giải phóng, và ở một mức độ nào đó, nó cũng có thể xảy ra với sự hợp tác của những chaperon khác

sHsp: sHps là phức hợp oligomeric và thường được kích hoạt, ví dụ, bằng nhiệt hoặc các yếu tố điều hòa Chúng được cho rằng bị tách ra thành các oligomer nhỏ để trở nên hoạt động sHsp có thể liên kết nhiều protein non-native cho mỗi phức Sự giải phóng đòi hỏi sự hợp tác với các chaperone khác phụ thuộc vào ATP như Hsp70