Download - Chaperonas y Chaperoninas
Chaperones moleculares en el plegamiento de proteínas y
proteostasis
La mayoría de las proteínas deben plegarse en estructuras
tridimensionales definidos para tener actividad funcional.
Pero en el entorno celular, las proteínas recién sintetizadas
están en gran riesgo de plegamiento aberrante y agregación,
formación de especies potencialmente tóxicas. Para evitar
estos peligros, las células de invertir en una red compleja de
las chaperonas moleculares, que utilizan mecanismos
ingeniosos para evitar la agregación y promover plegamiento
eficiente. Debido a las moléculas de proteína son muy
dinámicas, se requiere vigilancia constante acompañante para
asegurar la homeostasis de proteínas (proteostasis). Los
avances recientes sugieren que una disminución relacionada
con la edad en la capacidad de proteostasis permite la
manifestación de diversas enfermedades de agregación de
proteínas, incluyendo la enfermedad de Alzheimer y
enfermedad de Parkinson. Las intervenciones en estos y otros
numerosos estados patológicos pueden surgir de una
comprensión detallada de las vías que subyacen
mantenimiento proteoma.
Las proteínas son las macromoléculas biológicas más versátiles y
estructuralmente compleja. Están involucrados en casi todos los
procesos biológicos. Las células de mamífero expresan típicamente
en exceso de 10.000 especies diferentes de proteínas, que son
sintetizadas en los ribosomas como cadenas lineales de hasta varios
miles de aminoácidos. Para funcionar, estas cadenas deben plegarse
generalmente en su "estado natural", un conjunto de unos pocos
estrechamente relacionada con las estructuras tridimensionales.
¿Cómo se logra esto y cómo las células garantizar la integridad
conformacional de su proteoma en vista de los desafíos agudas y
crónicas constituyen uno de los problemas más fundamentales y
clínicamente significativo en la biología.
Central de este problema es que las proteínas deben conservar la
flexibilidad conformacional para funcionar, por lo que son sólo
marginalmente termodinámicamente estables en su entorno
fisiológico. Una fracción sustancial de todas las proteínas en células
eucariotas (20-30 % del total en células de mamífero) incluso parece
ser inherentemente carente de cualquier estructura tridimensional
ordenada y adoptar conformaciones plegadas sólo después de la
interacción con parejas de unión. El comportamiento aberrante de
algunas de estas proteínas metaestables, tales como tau y α -
sinucleína, puede dar lugar a la formación de agregados fibrilares que
están asociados con la demencia y la enfermedad de Parkinson. Por lo
tanto, el control de calidad de la proteína y el mantenimiento de la
homeostasis del proteoma (conocido como proteostasis) son cruciales
para la salud celular y del organismo. Proteostasis se consigue
mediante una red integrada de varios cientos de proteínas,
incluyendo, lo más prominente, chaperones moleculares y sus
reguladores, que ayudan en la de novo de plegado o replegado, y el
sistema de la ubiquitina - proteasoma (UPS) y el sistema de la
autofagia, que median la eliminación oportuna irreversible de las
proteínas mal plegadas y agregadas. Las deficiencias en proteostasis
se han mostrado para facilitar la manifestación o la progresión de
numerosas enfermedades, tales como la neurodegeneración y la
demencia, la diabetes de tipo 2, la amiloidosis periférica, enfermedad
de almacenamiento lisosomal, la fibrosis quística, el cáncer y la
enfermedad cardiovascular. Un factor de riesgo importante para
muchas de estas enfermedades es la edad avanzada. De hecho, los
estudios en organismos modelo indican que el envejecimiento está
ligada a una disminución gradual en la capacidad celular proteostasis.
Aquí se discuten los últimos conocimientos en los mecanismos de
chaperona asistida por el plegamiento de proteínas y el
mantenimiento proteoma. Nos centramos en cómo las proteínas
utilizan la maquinaria acompañante para navegar con éxito el
complejo panorama de plegado - energía en el ambiente celular lleno
de gente. La comprensión de estas reacciones será guiar futuros
esfuerzos para definir la red proteostasis como un objetivo para la
intervención farmacológica en enfermedades de plegamiento de la
proteína aberrante.
Papel fundamental de las chaperonas moleculares
Muchas proteínas pequeñas replegamiento después de su
eliminación del desnaturalizante in vitro, en ausencia de otros
componentes o una fuente de energía. Esto significa que la secuencia
de amino-ácido, codificada en el ADN, contiene toda la información
necesaria para especificar la estructura tridimensional de una
proteína 1. Sin embargo, la investigación en el último par de décadas
se ha establecido firmemente que en el entorno celular, muchas
proteínas necesitan chaperones moleculares que se pliegan de
manera eficiente y en un plazo de tiempo biológicamente relevante.
¿Por qué es necesario este nivel adicional de complejidad?
Aunque las pequeñas proteínas pueden plegarse a velocidades muy
rápidas (de microsegundos), en soluciones tampón diluidas,,
proteínas multidominio más grandes pueden tardar minutos en horas
a plegarse, e incluso a menudo no llegan a sus estados nativos in
vitro. El plegado de tales proteínas se hace considerablemente más
difícil in vivo, debido a que el entorno celular es muy lleno, con
proteínas citosólicas que alcanzan concentraciones totales de 300-
400 gl-1. Los efectos de volumen excluidos resultantes, a pesar de la
mejora de las interacciones funcionales entre macromoléculas,
también aumentan fuertemente la tendencia de las proteínas no
nativas y estructuralmente flexible para añadir. Parece probable, por
lo tanto, que el requisito fundamental para los chaperones
moleculares surgió muy temprano en la evolución de las células
densamente aglomeradas, debido a la necesidad de minimizar la
agregación de proteínas durante el plegado y mantener las proteínas
en estados solubles, sin embargo, conformacionalmente dinámicos.
Por otra parte, como a menudo mutaciones alteran la capacidad de
una proteína para adoptar un pliegue, se deduce que el sistema
chaperona proporciona un tampón fundamental, lo que permite la
evolución de nuevas funciones de las proteínas y los rasgos
fenotípicos.
Algunos conceptos básicos sobre el plegamiento de las
proteínas y cómo se puede ir mal
Debido a que el número de posibles conformaciones de una cadena
de proteína puede adoptar es muy grande, reacciones plegables son
muy complejas y heterogéneas, basándose en la cooperación de
muchos débiles, las interacciones no covalentes. En el caso de las
proteínas solubles, fuerzas hidrofóbicas son particularmente
importantes en la conducción de colapso de la cadena y el
enterramiento de residuos de aminoácidos no polares en el interior de
la proteína (véase la ref. 13 para una discusión de la membrana de
plegamiento de proteínas). Se ha logrado un progreso considerable
en los últimos años en la comprensión de estas reacciones a través
de experimentos biofísicos y análisis teórico de 1,2. En el modelo
actual, se cree que las cadenas polipeptídicas para explorar
superficies de energía potencial en forma de embudo a medida que
avanzan, a lo largo de varias rutas cuestan abajo, hacia la estructura
nativa (fig. 1). Colapso de la cadena y el incremento progresivo en el
número de interacciones nativas restringen rápidamente el espacio
conformacional que necesita ser buscado en ruta hacia el estado
nativo. Sin embargo, la superficie de energía libre que debe ser
navegado es a menudo resistente, lo que significa que las moléculas
deben cruzar las barreras cinéticas sustanciales durante el plegado.
Como consecuencia de ello, los estados parcialmente plegados
pueden ser transitoriamente poblados como especies cinéticamente
atrapados. Tales intermedios de plegamiento son la regla para las
proteínas de más de 100 aminoácidos ( 90 % de todas las proteínas
en una célula), que tienen una fuerte tendencia a sufrir colapso
hidrofóbico rápida en conformaciones globulares compactas 2. El
colapso podría traducirse bien en glóbulos desorganizados que
carecen de contactos específicos y retener gran entropía
configuracional o intermedios que pueden ser estabilizados por
interacciones no nativas (estados mal plegados). En el primer caso, la
búsqueda de contactos nativos cruciales dentro del glóbulo se
limitará la velocidad de plegado, mientras que en este último, la
rotura de los contactos no nativos puede ser limitante de la velocidad
1 (fig. 1). La propensión de las proteínas para rellenar los intermedios
globulares con un alto grado de flexibilidad puede aumentar más
grandes, con pliegues de dominio topológicamente más complejas
que están estabilizadas por muchas interacciones de largo alcance
(por ejemplo, α / β arquitecturas de dominio). Dichas proteínas son a
menudo altamente dependiente acompañante.
Estados parcialmente plegados o mal plegadas son problemáticos
debido a que tienden a agregarse en una manera dependiente de la
concentración (Fig. 1). Esto es debido al hecho de que estas formas
típicamente exponen residuos y regiones del esqueleto del
polipéptido no estructurada de aminoácidos hidrófobos al disolvente -
características que se entierran en el estado nativo. Como plegable
intermolecular, la agregación es impulsado en gran medida por
fuerzas hidrofóbicas y principalmente los resultados en estructuras
amorfas (Fig. 1). Alternativamente, los agregados fibrilares llamados
amiloide pueden formar, definida por β - filamentos que corren
perpendiculares al eje largo de fibrillas (estructura en cruz β). Aunque
muchas proteínas pueden adoptar estas estructuras altamente
ordenadas, termodinámicamente estables bajo condiciones en vitro,
la formación de estos agregados en vivo está fuertemente limitado
por la maquinaria chaperona, lo que sugiere que pueden llegar a ser
más generalizada bajo estrés o cuando el control de calidad de la
proteína no. Es importante destacar que la formación de agregados
fibrilares suele ir acompañada de la formación de estados
oligoméricos solubles, que se cree que tienen un papel clave en las
enfermedades de plegamiento aberrante (Fig. 1). La toxicidad de
estas formas menos ordenadas y bastante heterogénea se ha
sugerido que se correlaciona con la exposición de superficies
hidrófobas, pegajosas y accesible estructura de péptido - columna
vertebral que aún no está integrado en un núcleo transversal β
estable. Los oligómeros solubles deben someterse a una considerable
reordenamiento a las fibrillas de formulario, el estado final
termodinámico del proceso de agregación, y por lo tanto pueden ser
comparables a los intermedios cinéticamente atrapados en el
plegamiento (Fig. 1). Cabe destacar que algunos epítopos
estructurales comunes se han detectado en los oligómeros prefibrillar
de diferentes polipéptidos, pero, ¿cómo estas características están
relacionadas con la toxicidad aún no se entiende. Esta información es
una necesidad urgente de desarrollar tratamientos para los
numerosos estados patológicos asociados con la agregación de
proteínas.
Las principales clases de chaperonas
Se define un chaperón molecular como cualquier proteína que
interactúa o estabiliza o ayuda a otra proteína para adquirir su
conformación funcionalmente activa, sin estar presente en su
estructura final. Existen varias clases diferentes de chaperones
estructuralmente no relacionados en las células, formando caminos y
redes de cooperación. Los miembros de estas familias de proteínas
son a menudo conocidos como proteínas de estrés o proteínas de
choque térmico (HSP), ya que son regulados hasta en condiciones de
estrés en el que las concentraciones de agregación propensos
aumento intermedios plegables. Los chaperones se clasifican
generalmente de acuerdo a su peso molecular (HSP40, HSP60,
HSP70, HSP90, Hsp100 y los pequeños HSP). Están involucrados en
una multitud de funciones proteoma - mantenimiento, incluyendo de
novo de plegado, el replegamiento de las proteínas de estrés
desnaturalizados, de ensamblaje oligomérico, el tráfico de proteínas y
la asistencia en la degradación proteolítica. Los acompañantes que
participan en términos generales en el plegamiento de proteínas de
novo y replegamiento, tales como los Hsp70s, HSP90s y la
chaperoninas (HSP60s), son máquinas moleculares de múltiples
componentes que promueven plegable través de la ATP - y el cofactor
- regulado ciclos de liberación y de unión. Por lo general reconocen
cadenas laterales de aminoácidos hidrófobos expuestos por proteínas
no nativas y pueden cooperar funcionalmente con chaperonas ATP -
independientes, tales como las pequeñas HSP, que funcionan como
'holdases', agregación de almacenamiento en búfer.
En el mecanismo dependiente de ATP de acción chaperona, de novo
de plegado y replegado de proteínas se promueve a través de
particionamiento cinética (Fig. 2). Unión (o reconsolidación) a las
regiones hidrófobas de una proteína no nativa transitoriamente
bloques de agregación Chaperona; ATP - liberación desencadenada
permite el plegado de proceder. Es importante destacar que, a pesar
de los Hsp70s y las chaperoninas tanto operan por este mecanismo
básico, que se diferencian fundamentalmente en que la primera
liberación (como todos los otros chaperonas dependientes de ATP) la
proteína sustrato para el plegado en solución a granel, mientras que
las chaperoninas cilíndricas permiten el plegado de un solo moléculas
de proteínas en el interior de una jaula. Los dos sistemas actúan
secuencialmente, mediante el cual HSP70 interactúa aguas arriba con
polipéptidos nacientes y recién sintetizada y la función chaperoninas
aguas abajo en el final de plegado de las proteínas que no llegan a
estado nativo por el ciclismo en solo HSP70 20,21 (figuras 2 y 3). En
las siguientes secciones, se utilizará la HSP70, HSP90 chaperonina y
modelos para ilustrar los mecanismos básicos de las principales
máquinas de plegamiento de proteínas citosólicas. Chaperonas
específica del cliente que funcionan aguas abajo de plegado en la
mediación del ensamblaje de complejos oligoméricos no se discuten
(véase, por ejemplo, refs 22 y 23).
El sistema de HSP70
El expresan constitutivamente (HSC70, también conocido como
HSPA8) y formas inducibles por estrés de HSP70 son actores centrales
en el plegamiento de proteínas y el control proteostasis. El aumento
de los niveles de HSP70 también ha demostrado ser eficaz en la
prevención de la agregación de proteínas tóxicas en modelos de
enfermedad. El ciclo de reacción dependiente de ATP de HSP70 se
regula por chaperonas de la HSP40 (también conocido como DnaJ) de
la familia y los factores de cambio de nucleótidos. Algunos de estos
factores también están involucrados en la vinculación de las
funciones de acompañante con el SAI y la autofagia para la
eliminación de las proteínas mal plegadas. Encuadernación y la
liberación por la HSP70 se logra a través del acoplamiento alostérico
de un dominio de pase AT amino - terminal conservado con un
dominio de unión al péptido carboxi-terminal, este último consiste en
un subdominio β - sándwich y un segmento de tapa α - helicoidal (Fig.
2). El β - reconoce segmentos largos, siete residuos enriquecidos en
aminoácidos hidrofóbicos, preferentemente cuando están
enmarcadas por residuos de carga positiva. Tales segmentos se
producen en promedio cada 50-100 aminoácidos en las proteínas, y la
exposición de estos fragmentos se correlaciona con la propensión de
agregación de la proteína. La tapa α - helicoidal y un cambio
conformacional en el dominio β - sándwich regulan el estado afinidad
por el péptido de una manera dependiente de ATP. En el estado de
ATP de ruedas, la tapa adopta una conformación abierta, lo que
resulta en lo alto de las tasas y tarifas de descuento para el péptido.
La hidrólisis de ATP a ADP está fuertemente acelerada por HSP40, que
conduce a cierre de la tapa y de unión del péptido estable (baja en los
precios y tarifas de descanso para el sustrato peptídico) (fig. 2).
HSP40 también interactúa directamente con desplegada polipéptidos
y puede reclutar a los sustratos de proteína HSP70. Después de la
hidrólisis de ATP, un factor de intercambio de nucleótidos - se une al
dominio pase AT de la HSP70 y cataliza el intercambio de ADP - ATP,
lo que resulta en la apertura de la tapa y la liberación de sustrato.
Lanzamiento permite que las moléculas de rápido plegado para
enterrar residuos hidrofóbicos, mientras que las moléculas que
necesitan más que unos pocos segundos para el plegado se vuelva a
enlazar a la HSP70, evitando así la agregación. Unión HSP70 también
pueden resultar en la remodelación conformacional, tal vez la
eliminación de las barreras cinéticas para el proceso de plegado.
Las proteínas que son incapaces de partición de trayectorias de
rápido plegado después de ciclismo HSP70 pueden ser transferidas en
el medio especializado de la jaula chaperonina para el plegado. Entre
ellas se encuentran varias proteínas esenciales, tales como actinas
tubulinas, que se enfrentan a altas barreras energéticas en el
plegamiento y son completamente incapaces de llegar a sus estados
nativos espontáneamente, incluso en solución diluida in vitro.
Las chaperoninas
Chaperoninas son grandes complejos doble timbre de 800-900 kDa
que funcionan por todo el mundo encierra proteínas sustrato hasta 60
kDa para el plegado. Grupo I chaperoninas (también conocido como
HSP60s en eucariotas y GroEL en bacterias) tienen anillos de siete
miembros en bacterias, mitocondrias y cloroplastos, y funcionalmente
cooperar con HSP10 (proteínas GroES en bacterias), que forman la
tapa de la jaula plegable. El grupo de chaperoninas II en arqueas
(thermosome) y el citosol eucariótico (TRiC, también conocido como
AAC) por lo general tienen anillos de ocho miembros. Son
independientes de HSP10 factores.
El sistema GroEL-GroES chaperonina de Escherichia coli ha sido
estudiado más extensivamente (fig. 3). GroEL interactúa con al
menos 250 diferentes proteínas citosólicas. La mayoría de ellos tienen
entre 20 y 50 kDa en tamaño y tienen complejo α / β o α + β
topologías de dominio, como el barril TIM 33 veces. Estas proteínas se
estabilizan por muchas interacciones de largo alcance y se cree que
rellenar flexibles, plegables intermedios cinéticamente atrapados
exponiendo superficies hidrófobas. Los dominios apicales de las
presentes residuos de aminoácidos hidrófobos GroEL para la unión en
el centro del anillo sustrato. Plegado subsiguiente depende de
encapsulación global de sustrato por GroES (fig. 3). GroES de unión
de ATP es regulado y se asocia con un cambio conformacional
marcada de GroEL que conduce a la formación de una jaula con una
pared altamente hidrófilo, neta - cargado negativamente interior.
Proteína encapsulada es libre de doblar en este ambiente durante 10
segundos - el tiempo necesario para la hidrólisis de ATP en el anillo de
GroES - enlazado (anillo cis). Sustrato proteína sale de la jaula
después de GroES disociación, que se desencadena por
alostéricamente ATP vinculante en el ring frente (anillo trans).
Sustrato aún no doblado vuelve a enlazar rápidamente a GroEL para
nuevos intentos de plegado.
Encerrando desplegada proteína, una molécula a la vez, evita la
interrupción de plegado por la agregación o (re) unión a chaperonas
aguas arriba. Además, un efecto de confinamiento estérico
probablemente modula el paisaje plegado - energía. Aunque las
funciones de chaperonina como un dispositivo de prevención pasiva -
agregación para algunas proteínas, encapsulación también pueden
acelerar plegado sustancialmente. Esta aceleración de la frecuencia
puede ser debido al confinamiento estérico, entrópicamente
desestabilizar derrumbó intermediarios de plegamiento pero flexibles,
y promoviendo su conversión a más compactos conformaciones,
nativo. Como se muestra recientemente, el efecto de la jaula plegable
puede ser comparable a la función de los enlaces disulfuro en la
restricción de espacio conformacional en el plegamiento de las
proteínas secretoras. Además, repite curso de los acontecimientos en
la unión y los ciclos sucesivos de liberación se han sugerido para
revertir mal plegadas, estados cinéticamente atrapados que se
estabilizan por interacciones no nativas. Por lo tanto, las
chaperoninas puede ser capaz de suprimir las barreras entrópicas y
entálpico en escarpadas paisajes de energía libre de plegado (Fig. 1).
TRiC, el II chaperonina grupo en el citosol eucariótico, consta de
ocho subunidades paralogous por anillo. Todos II chaperoninas grupo
se desvían de GroEL en que sus dominios apicales contienen
protuberancias en forma de dedo, que actúan como un iris -como,
integrado en la tapa y reemplazar la función de GroES. Estos
segmentos se abren y cierran en un ciclo de proteína - encapsulación
dependiente de ATP, similar en principio a la de GroEL - GroES44. Sin
embargo, el ciclo de reacción TRiC es mucho más lento que el de
GroEL, probablemente proporcionar un período de encapsulación de
proteínas y el plegamiento en la jaula sustancialmente más largo.
TRiC interactúa con aproximadamente el 10 % de las proteínas
citosólicas recién sintetizados, incluyendo la actina y la tubulinas.
Curiosamente, TRIC también funciona en la prevención de la
acumulación de agregados tóxicos de proteína de la enfermedad de
Huntington.
El sistema de HSP90
HSP90 formas de un concentrador proteostasis que controla
numerosos importantes vías de señalización en las células eucariotas.
Estas funciones pleiotrópicos incluyen, entre otros la progresión del
ciclo celular, mantenimiento de los telómeros, la apoptosis, la
transducción de señales mitótico, el transporte de vesículas mediada,
la inmunidad innata y la degradación de proteínas específicas. De
hecho, se cree que la evolución y el mantenimiento de estas redes
funcionales a depender de la capacidad de HSP90 para amortiguar los
efectos de las mutaciones estructuralmente desestabilizadores en los
complejos de proteínas subyacentes, permitiendo de ese modo la
adquisición de nuevos rasgos.
HSP90 funciones aguas abajo de HSP70 en la maduración
estructural y la regulación conformacional de numerosas moléculas
de transducción de señales, tales como quinasas y los receptores de
esteroides. Además, coopera en este proceso con varios reguladores
y compañeros de acompañantes, muchos de los cuales utilizan la
repetición tetratricopeptide (TPR) dominios de atracar en HSP90. Por
ejemplo, el HOP proteína TPR proporciona un vínculo directo entre la
HSP70 y HSP90, permitiendo transfer el sustrato. Aunque el
mecanismo por el cual la HSP90 y sus cofactores mediar cambios
conformacionales en proteínas sustrato aún no se entiende, las
estructuras cristalinas de los últimos HSP90s de larga duración
proporcionan información largamente esperada. HSP90 funciona
como un dímero de subunidades que se ensamblan por sus dominios
C-terminales. Un dominio N-terminal se une e hidroliza ATP y se une
al dominio C -terminal mediante un dominio medio (Fig. 4). El dominio
medio participa en la unión al sustrato e interactúa con el AHA1 co -
chaperona. Similar a otros chaperones, la HSP90 dímero se somete a
un ciclo de reacción ATP - accionado que está acompañada por una
considerable reorganización estructural (fig. 4). La unión del ATP
conduce a la dimerización de los dominios N-terminales, formando
“abrazadera molecular” HSP90. Esto resulta en una compactación del
dímero HSP90, en el que los monómeros individuales se entrelazan
una con otra. Después de la hidrólisis, los dominios pase AT se
disocian y las HSP90 monómeros diferentes N- terminales. Varios
cofactores regulan este ciclo: Cdc37, que ofrece ciertos sustratos de
quinasa para HSP90, inhibe la actividad de pase AT, y HOP inhibe la
dimerización N-terminal. AHA1 estimula la hidrólisis de ATP, mientras
que p23 se estabiliza la forma dimerizada de HSP90 antes de la
hidrólisis de ATP. Estos factores se cree que ajustar las propiedades
cinéticas del ciclo para lograr ciertas transiciones conformacionales
en sustratos de HSP90 - enlazados, así como su liberación a partir de
la HSP90.
¿Cómo HSP90 recluta diferentes tipos de proteínas sustrato con la
ayuda de diversos co- chaperonas sigue siendo enigmática. HSP90
parece tener varias regiones de interacción sustrato y la fuerza de
unión parece estar fuertemente influenciada por la flexibilidad
estructural del sustrato, en línea con la función propuesta de la HSP90
como un condensador evolutiva en la protección de variantes de
proteínas mutadas de la degradación. Debido a varios sustratos de
HSP90 son quinasas con papeles bien documentados en el desarrollo
del tumor, la inhibición de HSP90 con fármacos tales como
geldanamicina ha surgido como una estrategia prometedora para el
tratamiento de ciertos tipos de cáncer. Estos fármacos inhiben
específicamente la función de pase AT de la HSP90. Probablemente
serán útiles no sólo en la terapia del cáncer, sino también en el
tratamiento de enfermedades virales, debido a el hecho de que varios
virus patógenos secuestrar el sistema de HSP90 y lo utilizan para
ensamblaje de la cápsida. Sin embargo, la inhibición global de la
HSP90 es probable que resulte en una alteración marcada de circuitos
celulares, y sería deseable encontrar maneras de inhibir sólo aspectos
específicos de la función de HSP90.
De ribosoma a la proteína plegada
La síntesis vectorial de polipéptidos en el ribosoma tiene importantes
implicaciones en el proceso de plegado que se entienden sólo en
parte. Las preguntas claves se refieren a la fase en la que la cadena
naciente comienza a plegarse y la medida en que el proceso de
traducción modula el paisaje de energía libre de plegado. Al abordar
estas cuestiones, es útil considerar primero, las proteínas de un solo
dominio pequeños, que tienden a plegarse de forma espontánea in
vitro. El proceso de traducción para tales proteínas parece aumentar
el riesgo de mal plegamiento y la agregación considerablemente,
debido a que un polipéptido naciente incompleta no es capaz de
plegarse en una conformación nativa estable y la concentración local
de las cadenas nacientes en el contexto de poli ribosomas es muy
alta. Además, el canal de salida de la subunidad ribosómica grande,
que es de 100 Å de largo, pero en la mayoría de 20 Å de ancho, es
desfavorable para doblar más allá de α -hélices y pequeños
elementos terciarios que pueden comenzar a formar cerca de la
salida del túnel; se por lo tanto evita que las C-terminal de residuos
de aminoácidos de la cadena de participar en interacciones de largo
alcance que son necesarios para cooperativa dominio plegado. Como
consecuencia, puede ocurrir sólo después de plegamiento productivo
de la proteína completa ha surgido del ribosoma. Debido a que la
traducción es relativamente lento ( 4-20 aminoácidos s - 1), cadenas
nacientes están expuestos en estados parcialmente plegados,
sensibles a la agregación durante períodos de tiempo considerables.
Por otra parte, los contactos intracatenarios no nativos formados
durante la traducción o interacciones con la superficie ribosómico
altamente cargado podrían retrasar plegado después de la
finalización de la síntesis. Por estas razones, se cree que las cadenas
nacientes de interactuar co - traduccional con chaperones ribosomas
determinada, que inhiben su plegamiento prematuro (mal) y
mantener la cadena naciente en un estado no agregado, plegable
competente (Fig. 5). Por ejemplo, el factor de activación bacteriana se
une a la pequeña titina I 27 cadena ( 120 aminoácidos) a lo largo de
traducción, presumiblemente retrasar colapso de la cadena hasta que
el dominio β - sándwich completo ha surgido del ribosoma y está
disponible para plegado. Por otra parte, la agregación de cadenas
nacientes se desfavorecido por el densamente poblado, pseudohelical
disposición de los ribosomas en los complejos polyribosome - una
organización que maximiza la distancia entre los sitios de salida de la
cadena naciente en ribosomes65 adyacente.
Aunque las proteínas de un solo dominio alcanzarán su estado nativo
después de la traducción, las proteínas multidominio pueden
someterse a dominio - sabia plegable co -traduccional, como plegar
independientemente unidades estructurales ( 50-300 aminoácidos de
longitud) emerge de forma secuencial desde el ribosoma. Este
proceso evita el contacto entre dominios no nativos, suavizando así el
paisaje plegado - energía para las grandes proteínas. Secuencial
dominio plegado durante la traducción, que es altamente eficiente en
ribosomas eucarióticos, probablemente promueve la evolución
explosiva de proteínas multidominio complejas en eucariotas. Se cree
plegable Co -traduccional que ser ayudado por la velocidad de
elongación más lento de los ribosomas eucariotas ( 4 aminoácidos s -
1 en eucariotas frente a 20 aminoácidos s - 1 en las bacterias) y,
como resultado de diversas adaptaciones de la maquinaria de
plegado. Por ejemplo, los ribosomas eucariotas se unen los complejos
especializados chaperona HSP70 (Fig. 5) y la unión y liberación de la
HSC70 canónica de las cadenas nacientes pueden coordinarse con
velocidad de desplazamiento con el fin de apoyar plegable dominio se
refiere. El eucariota chaperonina TRiC es reclutado para cadenas
nacientes por HSC70 (ref. 69) y otros factores de aguas arriba, tales
como pre plegado, permitiendo de plegado co -traduccional. Por otra
parte, el ajuste de plegado co-translacional puede conseguirse por
traslación haciendo una pausa en los codones raros. En general, la
traducción y la chaperona maquinaria eucariota han sido altamente
optimizados a través de la evolución, asegurando plegado eficiente
para la mayor parte de las proteínas recién sintetizada..
El chaperón vías de operar en el retículo endoplasmático (ER) siguen
los principios de organización análogos, pero maquinaria
especializada se utiliza en la formación de disulfuro - bono y la
glicosilación de muchas proteínas secretoras.
Mantenimiento proteoma y la red proteostasis
Aunque en general se acepta que no se requiere la maquinaria
acompañante de plegado de proteínas inicial, sólo estamos
empezando a apreciar la medida en que muchas proteínas dependen
de la asistencia macromolecular largo de su vida celular para
mantener o recuperar sus conformaciones funcionalmente activas. En
comparación con los procariotas, los proteomas de células eucariotas
son altamente complejo, que comprende un número mucho mayor y
la diversidad de las proteínas multidominio. En el entorno celular
dinámico, estas proteínas se enfrentan constantemente a numerosos
retos a sus estados plegados ; son el resultado de modificaciones post
-traduccionales (fosforilación y acetilación), los cambios en la
fisiología celular y alteraciones en la composición y la concentración
de ligandos de moléculas pequeñas que pueden influir en proteínas
estabilidad. Por otra parte, el 20-30% de todas las proteínas en
células de mamífero son intrínsecamente no estructurada, es decir,
que pueden adoptar conformaciones tridimensionales definidos sólo
después de la unión a otras macromoléculas o superficies de
membrana. Tales proteínas probablemente necesitan ayuda para
evitar interacciones aberrantes y de agregación, en particular cuando
se incrementa su concentración y no se encuentran en complejos con
moléculas asociadas.
Estas consideraciones ayudan a explicar por qué las células tienen
que invertir en una amplia red de factores, que comprende proteínas
800 en las células humanas ( 200 acompañantes y compañeros de
chaperones y 600 UPS y componentes autofagia), que cooperan para
mantener la integridad conformacional del proteoma y proporcionar
la adaptación a los cambios en el medio ambiente. Esta red
proteostasis integra componentes generales y especializados
chaperonas para plegamiento de la proteína y el tráfico con la
maquinaria para la desagregación y la degradación proteolítica de las
proteínas mal plegadas (irreversiblemente el SAI y el sistema de la
autofagia) (Fig. 6). La notable complejidad del sistema se deriva de la
expansión, en los organismos multicelulares, de la diversidad de los
componentes reguladores para los sistemas de chaperonas
principales (HSP70 y HSP90) y de los factores de acoplamiento
funcionalmente estas chaperonas con el SAI y el sistema de la
autofagia. Por ejemplo, diversos cofactores HSP70, tales como el
athanogeno BCL2 - asociado (BAG) y ciertas proteínas de la familia
HSP40s, contienen dominios de tipo ubiquitina o ubiquitina -
interactuando. El cofactor HSP70 y HSP90 conocido como carboxilo
terminal de la proteína Hsp70 de interacción (CHIP) tiene actividad
ubiquitina ligasa E3 y canales ciertas proteínas mutantes o dañado
hacia la degradación proteasomal. En particular, CHIP es sólo uno de
varios cientos de ligasas E3 diferentes, lo que refleja la enorme
importancia de las vías proteolíticas para proteostasis y la regulación
celular. Curiosamente, mientras que la eliminación de especies de
proteínas mal plegadas por el SAI requiere que estas moléculas se
mantienen en un estado no agregado por chaperones, se cree que la
eliminación de la autofagia para involucrar mecanismos activos para
obligar a esas moléculas en grande, presumiblemente menos tóxicos,
agregados. Estas inclusiones son a menudo depositadas en sitios
subcelulares específicos cerca del centro organizador de
microtúbulos, conocidos como agregados.
La red proteostasis está regulada por varias vías de señalización
interconectadas, algunas de las cuales son la tensión de respuesta y
garantizar que el plegamiento de proteínas celulares y / o
degradación está adaptada para evitar la acumulación de mal
plegada y especies propensas a la agregación (Fig. 6). Estas vías
incluyen la respuesta al estrés citosólica y la respuesta de la proteína
desplegada de las vías de ER y mitocondrias, así como de
señalización que controlan la biogénesis de ribosomas y la capacidad
de traslación (Cuadro 1). ¿Cómo las aportaciones de las diferentes
ramas estén coordinadas y afinado es sólo parcialmente entendida,
pero la capacidad proteostasis y capacidad de respuesta al estrés
puede variar considerablemente en diferentes tipos de células.
Colapso Proteostasis en el envejecimiento y la enfermedad
La acumulación de proteínas mal plegadas y/u oxidada en las
células durante el envejecimiento es un reto para el sistema
proteostasis y eventualmente resulta en la deposición de los
agregados, como se muestra en organismos modelo tales como
Caenorhabditis elegans y Drosophila. La incapacidad de las células
para restaurar proteostasis normal puede resultar en la enfermedad,
e incluso en la muerte celular. En efecto, numerosas enfermedades
son ahora reconocidos para ser asociado con el plegamiento de
proteínas aberrante y por lo general se clasifican como de pérdida de
función o las enfermedades de ganancia de función tóxica, aunque los
estados patológicos específicos a menudo muestran elementos de
ambos grupos. Los primeros son generalmente causados por
mutaciones hereditarias e incluyen numerosos trastornos como la
fibrosis quística, enfermedades de depósito lisosomal y la deficiencia
de α1 - antitripsina. Este último, trastornos de ganancia de función,
incluye la diabetes tipo 2 y las principales enfermedades
neurodegenerativas (enfermedad de Parkinson, enfermedad de
Huntington, esclerosis lateral amiotrófica y la enfermedad de
Alzheimer) y son ya sea esporádica o causada por mutaciones que
hacen que las proteínas específicas más de agregación propensos.
Estas enfermedades ganancia de función son típicamente relacionada
con la edad y son causadas por la acumulación de amiloide o amiloide
como agregados de la proteína de la enfermedad. Una posible
explicación para la aparición tardía de estas enfermedades es
provista por la evidencia reciente de los organismos modelo que las
vías de señalización que regulan proteostasis se integran con los
mecanismos genéticos y epigenéticos que controlan la longevidad
(Cuadro 1). Por lo tanto, la disminución relacionada con la edad en
proteostasis y específicamente en la incapacidad para regular al alza
chaperones en respuesta a las presiones de conformación
desencadenaría manifestación de la enfermedad y a su vez, acelerar
el colapso proteostasis.
Aunque el principio de funcionamiento tóxicos en estos trastornos
está lejos de ser comprendido, está surgiendo un consenso que los
agregados oligoméricos solubles, que pueden ser 'en - vía "o" fuera
de ruta' hacia la formación de fibrillas, son las especies citotóxicos
primarios (Fig. 1). Una hipótesis destacada sugiere que estos
oligómeros exponen a superficies hidrófobas promiscuas que pueden
mediar interacciones aberrantes con varias otras proteínas o con las
membranas celulares. En apoyo de esta propuesta, un estudio
reciente de la proteómica en células humanas mostraron que ciertas
proteínas metaestables se dirigen preferentemente por tales
interacciones, lo que resulta en su co - agregación con la enfermedad
amiloidogénica proteína. Las proteínas co - agregación en general son
grandes en tamaño y se enriquecen en regiones intrínsecamente no
estructurados, las propiedades que se acoplan con un alto grado de
funcionalidad. En consecuencia, tienden a ocupar posiciones de cubo
esenciales en redes de proteínas celulares, incluyendo la regulación
de la transcripción, la traducción y el mantenimiento de la
arquitectura celular, lo que sugiere que su secuestro por los
agregados amiloides resultados en la toxicidad multifactorial. Una
manifestación interesante de este mecanismo de toxicidad es la
reciente demostración de que la agregación de p53 mutante puede
ejercer potencial oncogénico dominante por el secuestro de p53 de
tipo salvaje en los compañeros de los agregados, lo que resulta en
una pérdida completa de la función de p53.
Toxicidad agregada puede ser agravado por la incapacidad de las
células afectadas para responder adecuadamente a estímulos de
estrés. Esto es consistente con la evidencia reciente de que las
especies de proteínas aberrante plegadas pueden interferir con las
funciones Proteostasis centrales, incluyendo el plegamiento de
proteínas y los mecanismos de aclaramiento. En particular, la
sobreexpresión de los miembros del sistema de HSP70 se ha
demostrado que inhiben la formación de oligómeros tóxicos y para
prevenir la formación de agregados de amiloide de la enfermedad de
diferentes proteínas. En el caso de las proteínas de poliglutaminas -
repetición, la cual causa la enfermedad de Huntington y varios
trastornos neurodegenerativos relacionados, HSP70 coopera con la
chaperonina TRiC para evitar la acumulación de oligómeros
potencialmente tóxicos, que es una reminiscencia de la cooperación
funcional entre estos sistemas de chaperonas en proteínas de novo
plegado.
Sobre la base de estos hallazgos, la regulación al alza de la función
chaperona farmacológica promete abrir nuevas estrategias para el
tratamiento de numerosos estados patológicos asociados con el
plegamiento aberrante y la agregación. Experimentos de prueba de
principio que utilizan compuestos de moléculas pequeñas para
aumentar la síntesis de acompañante y reequilibrar proteostasis (por
ejemplo, mediante la activación de choque térmico factor de
transcripción - 1 (vías HSF- 1) - regulados) ya han demostrado su
eficacia en la pérdida de la función y modelos de enfermedad de
ganancia de función tóxica. Del mismo modo, recientemente
identificado activadores del proteasoma 94 tienen el potencial de
acelerar la liquidación de especies de proteínas tóxicas,
particularmente cuando se aplica en combinación con la regulación
positiva chaperona. A diferencia de los fármacos convencionales,
tales " reguladores Proteostasis ' no sería específica de la enfermedad
o de la proteína específica, por lo que puede ser aplicable a todo un
grupo de enfermedades relacionadas - un nuevo concepto en la
práctica médica.
Pronóstico
Estudios realizados durante las últimas dos décadas han
proporcionado una visión fascinante de la mecánica de la chaperona
asistida por el plegamiento de proteínas, pero todavía hay grandes
lagunas en nuestra comprensión de cómo las vías de plegado en la
célula se diferencian de los estudiados en el tubo de ensayo. El
progreso se ve frenada por el problema de que los métodos biofísicos
sofisticados utilizados para caracterizar intermediarios de
plegamiento in vitro no son fácilmente transferibles a la situación in
vivo. Mayor potencial de innovación tanto, se puede esperar de la
evolución de las técnicas de imagen avanzadas, con el tiempo que
nos permite monitorear los cambios conformacionales en una sola
cadena polipeptídica como se desprende de los ribosomas, lleva a
cabo su función biológica y es finalmente degradado en la célula viva.
Mucha investigación también se estimula por el concepto emergente
de que las chaperonas moleculares funcionan como el elemento
central de una red celular mucho más grande de control de
proteostasis, que comprende, además, la maquinaria de la biogénesis
de proteínas, así como el SAI y el sistema de la autofagia.
Desentrañar el complejo circuito de regulación de esta red y entender
por qué pierde su agarre durante el envejecimiento planteará un reto
importante en los próximos años. La solución de este problema
requerirá un amplio enfoque de biología de sistemas basándose en
una combinación de perfiles de ribosoma, proteómica cuantitativa y
modelado computacional. ¿Cómo reaccionan las células al estrés
conformacional o deficiencia proteostasis a nivel proteoma está claro.
Las preguntas clave incluyen la determinación de cómo ciertos
aberrante plegamiento de proteínas agregadas en especies tóxicas,
mientras que otros se degradan, cómo la composición de los cambios
proteosoma durante el envejecimiento, lo que la firma de un
proteoma juvenil es, y cómo podemos encontrar maneras de
mantener por más tiempo de lo que edad. Para abordar estas y otras
cuestiones relacionadas no sólo ofrece grandes oportunidades para la
intervención de numerosas enfermedades actualmente incurables,
sino también con el tiempo revelará la relación fundamentalmente
importante entre proteostasis y longevidad.
Figura 1 | Conflicto de reacciones de plegamiento de
proteínas y agregados. Esquema de la superficie en forma de
embudo de energía libre que las proteínas explorar a medida que
avanzan hacia el estado nativo (verde) mediante la formación de
contactos intramoleculares (modificado de referencias 19 y 95). La
robustez de los resultados paisaje de energía libre en la acumulación
de conformaciones cinéticamente atrapadas que necesitan para
atravesar barreras de energía libre favorable para llegar a una ruta
cuesta abajo. In vivo, estos pasos pueden ser acelerados por
chaperones. Cuando varias moléculas se pliegan simultáneamente en
el mismo compartimento, la superficie de energía libre de plegado
puede solaparse con la de la agregación intermolecular, dando como
resultado la formación de agregados amorfos, oligómeros tóxicos o
fibrillas amiloides ordenado (rojo). Agregación fibrilar se produce
normalmente por polimerización dependiente de la nucleación. Se
puede iniciar a partir de intermedios de población durante el
plegamiento de novo o después de la desestabilización del estado
nativo (estados parcialmente plegadas) y, normalmente, es impedido
por chaperonas moleculares.
Figura 2 | El ciclo chaperona HSP70.HSP70 cambia entre alta y
baja afinidad para los estados desplegado y parcialmente plegado de
proteínas de unión a ATP y la hidrólisis. Desplegada y sustrato
parcialmente plegada (cadena naciente o proteína de estrés -
desnaturalizado), la exposición de segmentos peptídicos hidrófobos,
se entrega a ATP determinada HSP70 (abierto; baja afinidad por el
sustrato con alta en las tasas de y fuera de tasas) por uno de varios
cofactores HSP40. La hidrólisis de ATP, que se acelera por HSP40,
resultados en cierre de la tapa un - helicoidal del dominio de unión al
péptido (amarillo) y la unión fuerte de sustrato por HSP70 (cerrado;
alta afinidad con baja en las tasas de y fuera de las tasas). La
disociación de ADP catalizada por uno de varios factores de
intercambio de nucleótidos (NEF) se requiere para el reciclaje. La
apertura de la tapa un - helicoidal, inducida por la unión del ATP, los
resultados en la liberación de sustrato. Plegable se promueve la
agregación y se evita cuando tanto la tasa de plegado constante
(Kfold) es mayor que la constante de asociación (Kon) para la unión
de chaperona (o reconsolidación) de los estados parcialmente
plegados, y Kon es mayor que por la asociación intermolecular de
orden superior agregación tasa constante K agg (Kfold> K en > Kagg)
(partición cinética). Para las proteínas mal plegadas que pueblan
estados, Kon puede ser mayor que K veces (K = K veces en > Kagg).
Estas proteínas se estabilizan por HSP70 en un estado no agregado,
sino que requieren la transferencia en la jaula chaperonina para el
plegado. Después de la tensión conformacional, K agg puede llegar a
ser más rápido que Kon, y la agregación se produce (Kagg > Kon =
Kfold), a menos que la expresión chaperón es inducida a través de la
vía de respuesta al estrés. Estructuras en esta figura se refieren a la
proteína Data Bank (PDB) la adhesión códigos 1DKG, 1DKZ, 2KHO y
2QXL. Pi, fosfato inorgánico.
Figura 3 | plegable en el chaperonina cage.Substrate
GroEL.GroES unión a GroEL (tras el cambio de HSP70) puede resultar
en desarrollo local de 42. La unión del ATP a continuación,
desencadena una reordenación conformacional de los dominios
apicales GroEL. Esto es seguido por la unión de GroES (formando el
complejo cis) y la encapsulación sustrato para el plegado. Al mismo
tiempo, ADP y GroES se disocian de lo contrario anillo de GroEL
(trans), lo que permite la liberación del sustrato que había sido
encerrado en el antiguo complejo cis 32 (omitido de la figura por
simplicidad). El nuevo sustrato permanece encapsulado, libre de
doblar, durante el tiempo necesario para hidrolizar los siete moléculas
de ATP en el complejo cis recién formado ( 10 s). La unión de ATP y
GroES al anillo trans provoca la apertura del complejo cis. Un
simétrica GroEL - (GroES) 2 complejo puede formar transitoriamente.
Modelo estructural se basa en 1AON adhesión AP.
Figura 4 | ciclo de pase AT de un sistema HSP90.En sentido
horario desde la parte superior izquierda, la unión del ATP al pase del
dominio AT N-terminal (ND) de la apo-HSP90 induce un cambio
conformacional y el cierre de la tapa de la ATP en la ND. Después de
cierre de la tapa, el NDs dimerize, formando la HSP90 dímero cerrado
(abrazadera molecular) con subunidades retorcidos. Esta
conformación metaestable se compromete a la hidrólisis de ATP.
Después de la hidrólisis, la END se disocian. La molécula de sustrato
inactivo interactúa principalmente con el dominio medio (MD) y se
conformacionalmente activa como HSP90 procede a través de la al
ciclo de Pase. Los cofactores Cdc37, salto, AHA1 y p23 acelerar o
ralentizar determinadas etapas del ciclo. Estructuras relacionadas con
adhesiones AP 2IOQ, 2O1U, 2CG9 y 2O1V. CD, C-terminal AT Pase
dominio.
Figura 5 | Organización de las vías de acompañantes en las
bacterias citosol. Bacteria a la (izquierda) y eucariotas (derecha),
chaperones esa función en la estabilización de polipéptidos nacientes
en los ribosomas y en el inicio de plegado cooperar con la maquinaria
que actúa aguas abajo en la realización de plegado. El número de
sustratos que interactúan se indica como un porcentaje del proteoma
total. La primera categoría incluye factores de chaperonas que se
unen en estrecha proximidad con el sitio de salida del polipéptido
ribosómico, tales como el factor desencadenante (TF) en bacterias y
complejos HSP70 especializados (complejo ribosoma-asociado (Rac)
en Saccharomyces cerevisiae, MPP11 y HSP70L1 en células de
mamífero) y de la naciente cadena asociada al complejo (NAC) en
eucariotas). Estas chaperonas se unen segmentos de cadena
hidrófobos. Los miembros no ribosomas determinada de la función
como chaperones de segundo nivel para las cadenas nacientes ya la
familia HSP70 (DnaK en bacterias y en eucariotas HSC70), co-
mediación o plegado después de la traducción. También distribuyen
subconjuntos de proteínas chaperonas de aguas abajo, tales como la
chaperoninas (GroEL en bacterias y en eucariotas TRIC) y HSP9052.
Substrato de transferencia HSC70 a la HSP90 se promueve por el HOP
proteína de acoplamiento. La flecha indica que la vía no está bien
establecida. Estructuras relacionadas con adhesiones AP 1DKG, 1DKZ,
2KHO, 1W26, 3IYF, 2AVY, 2AW4, 1FXK, 3LKX, 2IOQ, 2QWR y 1NLT. N,
proteína nativa; GrpE, GrpE proteínas, ARNm, ARN mensajero, PFD,
pre plegado.
La figura 6 | destino de proteínas en la red proteostasis.
Figura 5.
Un ejemplo de la Hsc70 modelo vinculante y la hidrólisis de ATP en
serie para el desmontaje de las jaulas clatrina destacando la
secuencia de eventos en una sola triskelion. 1: Auxilin tiene una alta
afinidad para las piernas triskelion que forman parte de una jaula de
clatrina y se une a una estequiometria de uno por triskelion. 2: Un
Hsc70: complejo de ATP se une a la clatrina: complejo auxilin. 3: La
interacción entre el dominio J y Hsc70 de auxilin estimula la hidrólisis
de ATP e induce un cambio conformacional en Hsc70, aumentando su
afinidad por clatrina. 4: reposiciona Auxilin, y una segunda Hsc70:
ATP sea contratado a la clatrina: complejo auxilin. 5: El segundo
interactúa con Hsc70 de auxilin J dominio, el ATP se hidroliza, y el
resultante Hsc70: complejo de ADP se une fuertemente a la clatrina.
Después de la hidrólisis, la auxilin reposiciona de nuevo, y la tercera
Hsc70: El ATP se une a la clatrina: complejo auxilin. 6: La hidrólisis de
los terceros resultados de ATP en una débil interacción entre el
triskelion (Hsc70: ADP) 3 complejo y la jaula. El paso limitante de la
velocidad es el desmontaje de triskelia que conduce al colapso de la
jaula. 7: El Hsc70: ADP complejo tiene una alta afinidad por el triskelia
liberado y permanece unida, mientras que la afinidad de triskelia
(Hsc70: ADP) 3 para auxilin es baja; la auxilin previamente
consolidado es libre ahora para volver a enlazar la jaula de una
manera catalítica (8).