Chương 2. Tìm hiểu chung về HSP
2.5. Cấu trúc của HSP và chức năng liên quan đến đáp ứng miễn dịch
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.
HSP90 có 3 miền cấu trúc (hình 2.2 A) gồm:
+ Miền liên kết nucleotid đầu N (NBD- nucleotid binding domain) , nó cũng liên kết với các chất ức chế HSP90 [79] và có thể liên kết với các peptid [25]
+ Phần trung gian tương tác với protein khác + Miền đầu C
13
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).
15
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.