Chương 3. Cochaperon và đánh giá khả năng ứng dụng trong điều trị ung thư
3.2. Cơ chế hoạt động của HSP70 cochaperon và HSP90 cochaperon
Đã có nhiều phát hiện về tính chất phân tử và sinh hóa của các thành viên họ HSPA như Hsp70 và Hsc70 [6]. Do đó, các thành viên trong họ Hsp70 có hai miền hoạt động chính bao gồm một vùng liên kết nucleotid đầu N và một vùng liên kết với đầu C có thể tương tác với các dư lượng kị nước trong các protein không gấp một phần (liên
29
kết miền) [91]. Hsp70 “empty” (rỗng) chứa ATP trong miền đầu N của nó, và ở dạng này, miền đầu C có thể tương tác với các protein “client” không gấp phù hợp [60]. Việc liên kết được ổn định khi sự tiếp nhận của các protein “client” trong miền đầu C kích hoạt hoạt động ATPase của miền đầu N. Protein “client” sau đó được giải phóng, thường là khi được gấp lại [42].
Hình 3.1: Chu trình phản ứng đối với các polypeptid họ Hsp70 [42].
Các protein Hsp70 được miêu tả bao gồm hai miền chức năng chính bao gồm một miền đầu N - ATPase và một miền ràng buộc protein “client” đầu C. Khi ATP gắn với miền ATPase, miền kết nối protein “client” là đầu C có liên kết yếu với “client”. Trong bước đầu tiên để chaperoning, protein “client” (ở đây được miêu tả là ở trạng thái không gấp) kết hợp với một protein miền J (JDP) có thể liên kết với Hsp70. Sự tương tác này gây ra những thay đổi allosteric (dị lập thể) trong miền đầu N ATPase, sự thủy phân ATP, và sự liên kết chặt chẽ của cơ chất. Việc giải phóng “client” sau đó sẽ kết hợp với việc làm mất trao đổi nucleotid của ADP và phosphat và thay thế bằng ATP. Để xảy ra ở một tỷ lệ đáng kể trong các yếu tố trao đổi nucleotid tế bào như Bag1 và HspBP1 được yêu cầu. “Client” được giải phóng được mô tả như là "được gấp lại". Tuy nhiên, bản chất chính xác của các quá trình liên quan đến việc đạt được trạng thái này không rõ ràng. Một số bộ phận khác của các phức hợp client - Hsp70 được cho là liên quan đến protein Hop. Hop có thể liên kết với đầu C của Hsp70 và ghép nó với các protein khác như Hsp90. Do đó, các client có thể được chuyển từ Hsp70 sang Hsp90 trong chu trình gấp lại phối hợp.
Đối với Hsp70, cochaperon bao gồm một họ lớn các protein miền J có thể liên kết với các cơ chất cụ thể và thúc đẩy sự kết hợp của các protein “client” với Hsp70 [94]. Các protein này có chứa một miền J có khả năng tương tác với miền ATP của Hsp70 và một miền liên kết client có thể liên kết với các protein không gấp và chuyển chúng tới vị trí gắn kết client của Hsp70, kết quả là kích thích mạnh ATPase của liên kết client- Hsp70. Có ít nhất 49 thành viên của họ protein miền J của người [100]. Sau giai đoạn "giữ client", bước tiếp theo là giải phóng client và có thể gấp lại.
Để Hsp70 giải phóng client, ADP phải tách rời khỏi miền đầu N, một phản ứng tương đối từ từ, tuy nhiên có thể được kích thích mạnh bởi các yếu tố trao đổi nucleotid như các protein miền BAG [106]. Miền BAG tương tác với miền ATPase của Hsp70 và kích thích sự giải phóng ADP cho phép giải phóng client theo cơ chế allosteric (dị lập thể) của miền đầu N. Các yếu tố trao đổi nucleotid khác bao gồm HspBP1 [43]. Các thành viên của họ HSPA cũng có miền liên kết TPR (TDB) ở đầu C. Vùng TPR (tetratricopeptid repeat) là một mô típ tương tác được tìm thấy trong một dãy các protein mà nhiều trong số đó tương tác với các chaperon phân tử Hsp70 và Hsp90 [89].
Trong trường hợp của Hsp70, các protein miền TPR như vậy bao gồm Hop ( còn gọi là Stip1) và ubiquitin E3 ligase CHIP [112].
Các protein HSPC (Hsp90), bảo tồn trình tự tối thiểu với họ HSPA, có một số tính chất sinh hóa chung với các protein Hsp70 [53]. Họ HSPC bao gồm bốn thành viên chính, bao gồm hai protein của tế bào chất Hsp90α và Hsp90β, một protein protein được điều khiển bởi glucose là EP 94 (grp94) và một thành viên nằm ở ty thể là TRAP1. Hsp90α và Hsp90β có ý nghĩa quan trọng nhất trong ung thư, ở đó chúng biểu hiện ở mức rất cao và là những mục tiêu quan trọng cho sự phát triển của thuốc. Những phân tử này có điểm chung với Hsp70 đó là có khả năng liên kết và thủy phân ATP và để liên kết và sửa đổi các cấu hình của các client . Các protein Hsp90 hoạt động như dimer và liên kết với ATP, và các chu trình thủy phân điều hòa dimerization và gắn kết với client như với Hsp70 [71]. Bản chất của miền tương tác client không hoàn toàn rõ ràng mặc dù nó được cho là gắn kết các acid amin và các miền trung gian nằm ở bên ngoài của dimer . Ngoài ra, các protein Hsp90 của tế bào chất cũng chứa một vị trí gắn kết miền TPR ở đầu C.
Hsp90 tương tác với một loạt các cochaperon.
31
Chúng bao gồm p23/Sba1, một protein có hoạt tính chaperon nội tại giúp ổn định cấu trúc khép kín của Hsp90 bằng cách ức chế hoạt động của ATPase và do đó kéo dài tương tác với các client như hormon steroid [62].
Một cochaperon quan trọng khác là Cell Division Cycle 37 (Cdc37) liên kết với miền gắn kết ATP đầu N, ức chế hoạt động của ATPase, và có ý nghĩa đặc biệt trong tương tác với protein kinase. Trong khi p23 và Cdc37 dường như hoạt động bằng cách ổn định tương tác của client- Hsp90, thì cochaperon khác là Sgt1 dường như hoạt động vào đầu chu kỳ liên kết ATP- Hsp90 tự do và giúp thu nhận client đến chaperon tương tự như chức năng của JDP trong Hsp70 [15]. Cochaperon lõi khác là activator của Hsp90 ATPase (Aha1), một protein liên kết Hsp90 trong miền trung gian và kích hoạt hoạt động của ATPase và có lẽ là sự phân ly của các client. Ngoài nhóm này, một mảng lớn các cochaperon miền TPR gắn kết với đầu C mô típ TDB của Hsp90 và có thể điều chỉnh chức năng chaperon trong các client cụ thể, bao gồm protein Hop, protein phosphatase PP5, immunophilin (FKBP1, FKBP2, Cyp40), và các protein miền TPR (TTC4, TTC5 và XAP2/AIP).
Các mô típ TBD của các protein Hsp70 và Hsp90 là chìa khóa để xác định vai trò của cả hai protein trong việc kiểm soát chất lượng protein nội bào cũng như sự tương tác tinh vi hơn với các client liên kết. Khi Hsp70 liên kết với nhiều protein Hop miền TRP trên vị trí nhận diện đặc hiệu của nó, Hsp90 cũng có thể liên kết với một mô típ khác của TPR ở Hop [107]. Sự kết hợp như vậy cho phép một con đường phối hợp tu sửa của một số client, với việc gấp lại các protein mới tổng hợp từ ribosom bằng phức hợp với Hsp70 khởi đầu từ ribosom, trước khi chỉnh sửa lại cấu hình của client bằng các phức phức hợp Hsp90/p23/Cdc37/immunophillin và sự hình thành đầy đủ các polypeptid chức năng [29]. Ngoài ra, kiểm soát chất lượng protein có thể bị thiên về việc phân tách protein và xử lý các protein bị hỏng khi E3 ligase CHIP kết hợp với TBD của Hsp70 hoặc Hsp90 [5]. Ví dụ, sự hình thành của phức hợp Hsp70/Hop/Hsp90 được ưa thích bởi các yếu tố trao đổi nucleotid Bag1 [106]. Ngoài ra, Bag3 ủng hộ việc loại bỏ protein polyubiquitin hóa (ubiquitin hóa chỉ sự chỉnh sửa sau dịch mã của protein bằng liên kết hóa học (thông qua một liên kết isopeptid) của một hay nhiều monomer ubiquitin. Chức năng nổi bật nhất của ubiquitin là đánh dấu các protein để thoái biến ở hệ thống proteasom. Bên cạnh chức năng này, ubiquitin hóa còn điều khiển sự ổn định, chức năng và sự định vị nội bào của nhiều loại protein) bằng sự tự thực bào.
Như đã đề cập ở trên, Hsp90 có thể kết hợp một loạt các cochaperon thông qua mô típ TBD đầu C và có thể ảnh hưởng đến thay đổi phosphoryl hóa của client bằng PP5 và sự trưởng thành của các client như hormon steroid bởi các chất ức chế miễn dịch Cyp40, FKBP1, và FKBP2 [68]. TTC 5 là một phân tử thú vị với vai trò tiềm ẩn trong sinh lý học tế bào. Protein này chứa 6 mô típ TPR và liên kết với các chất cùng hoạt động phiên mã, kích hoạt phiên mã bởi các nhân tố như p53 và HSF1. Việc kết hợp với các mô típ TBD trên Hsp70 hoặc Hsp90 có thể cho phép sự kết hợp của protein không gấp trong điều kiện stress hoặc kiểm soát chất lượng để sửa đổi phiên mã.