Chương 2. Tìm hiểu chung về HSP
2.6. Vai trò của HSP
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.
17
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
19
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
21
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.
23
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.