Acompañante (proteína)

Una vista superior del modelo complejo de chaperona bacteriana GroES/GroEL

En biología molecular, las chaperonas moleculares son proteínas que ayudan al plegamiento o despliegue conformacional de proteínas grandes o complejos de proteínas macromoleculares. Hay una serie de clases de chaperonas moleculares, todas las cuales funcionan para ayudar a las proteínas grandes a plegarse correctamente durante o después de la síntesis, y después de la desnaturalización parcial. Las chaperonas también están involucradas en la translocación de proteínas para la proteólisis.

Las primeras chaperonas moleculares descubiertas fueron un tipo de chaperonas de ensamblaje que ayudan en el ensamblaje de nucleosomas a partir de histonas plegadas y ADN. Una función principal de las chaperonas moleculares es evitar la agregación de proteínas mal plegadas, por lo que muchas proteínas chaperonas se clasifican como proteínas de choque térmico, ya que la tendencia a la agregación de proteínas aumenta con el estrés por calor.

La mayoría de las chaperonas moleculares no transmiten ninguna información estérica para el plegamiento de proteínas y, en cambio, ayudan en el plegamiento de proteínas al unirse y estabilizar los intermedios de plegamiento hasta que la cadena polipeptídica se traduce por completo. El modo específico de función de las chaperonas difiere según sus proteínas diana y su ubicación. Se han aplicado varios enfoques para estudiar la estructura, la dinámica y el funcionamiento de las chaperonas. Las mediciones bioquímicas a granel nos han informado sobre la eficiencia del plegamiento de proteínas y la prevención de la agregación cuando las chaperonas están presentes durante el plegamiento de proteínas. Los avances recientes en el análisis de moléculas individuales han aportado conocimientos sobre la heterogeneidad estructural de las chaperonas, los intermedios de plegamiento y la afinidad de las chaperonas por las cadenas de proteínas estructuradas y no estructuradas.

Funciones de las chaperonas moleculares

Muchas chaperonas son proteínas de choque térmico, es decir, proteínas expresadas en respuesta a temperaturas elevadas u otras tensiones celulares. Las chaperonas de proteínas de choque térmico se clasifican según sus pesos moleculares observados en Hsp60, Hsp70, Hsp90, Hsp104 y Hsp pequeñas. La familia de proteínas chaperonas Hsp60 se denominan chaperoninas y se caracterizan por una estructura de doble anillo apilado y se encuentran en procariotas, en el citosol de eucariotas y en las mitocondrias.

Algunos sistemas de chaperonas funcionan como foldasas: apoyan el plegamiento de proteínas de una manera dependiente de ATP (por ejemplo, el sistema GroEL/GroES o el sistema DnaK/DnaJ/GrpE). Aunque la mayoría de las proteínas recién sintetizadas pueden plegarse en ausencia de chaperonas, una minoría las requiere estrictamente para lo mismo. Otras chaperonas funcionan como holdasas: se unen a los intermedios de plegamiento para evitar su agregación, por ejemplo, DnaJ o Hsp33. Las chaperonas también pueden funcionar como disgregasas, que interactúan con ensamblajes de proteínas aberrantes y las revierten a monómeros. Algunas chaperonas pueden ayudar en la degradación de proteínas, conduciendo proteínas a sistemas de proteasas, como el sistema ubiquitina-proteasoma en eucariotas. Las proteínas chaperonas participan en el plegamiento de más de la mitad de todas las proteínas de los mamíferos.

El hacinamiento macromolecular puede ser importante en la función de chaperona. El entorno abarrotado del citosol puede acelerar el proceso de plegamiento, ya que una proteína plegada compacta ocupará menos volumen que una cadena proteica desplegada. Sin embargo, el hacinamiento puede reducir el rendimiento de la proteína plegada correctamente al aumentar la agregación de proteínas. El hacinamiento también puede aumentar la eficacia de las proteínas chaperonas como GroEL, lo que podría contrarrestar esta reducción en la eficiencia de plegamiento. Algunos 'chaperones estéricos' altamente específicos transmitir información estructural única a las proteínas, que no pueden plegarse espontáneamente. Estas proteínas violan el dogma de Anfinsen y requieren dinámicas de proteínas para plegarse correctamente.

Otros tipos de chaperonas participan en el transporte a través de las membranas, por ejemplo, las membranas de las mitocondrias y el retículo endoplásmico (ER) en los eucariotas. Una chaperona bacteriana SecB específica para la translocación mantiene las cadenas polipeptídicas precursoras recién sintetizadas en un estado competente para la translocación (generalmente desplegado) y las guía hacia el translocón.

Se siguen descubriendo nuevas funciones para las chaperonas, como la actividad de la adhesina bacteriana, la inducción de la agregación hacia agregados no amiloides, la supresión de oligómeros de proteínas tóxicas a través de su agrupación y la respuesta a enfermedades relacionadas con la agregación de proteínas y el mantenimiento del cáncer.

Proteínas chaperonas humanas

En las líneas celulares humanas, se descubrió que las proteínas chaperonas componen aproximadamente el 10 % de la masa bruta del proteoma y se expresan de manera ubicua y alta en los tejidos humanos.

Las chaperonas se encuentran ampliamente en el retículo endoplásmico (ER), ya que la síntesis de proteínas a menudo ocurre en esta área.

Retículo endoplásmico

En el retículo endoplásmico (RE) hay chaperonas moleculares generales, de lectina y no clásicas que moderan el plegamiento de proteínas.

• General chaperones: GRP78/BiP, GRP94, GRP170.
• Chaperones Lectin: calnexina y calreticulina
• Chaperones moleculares no clásicos: HSP47 y ERp29
• Chaperones plegables:
  • Protein disulfide isomerase (PDI),
  • Peptidyl prolyl cis-trans isomerase (PPI), Prolyl isomerase
  • ERp57

Nomenclatura y ejemplos de familias de acompañantes

Hay muchas familias diferentes de acompañantes; cada familia actúa para ayudar al plegamiento de proteínas de una manera diferente. En bacterias como E. coli, muchas de estas proteínas se expresan mucho en condiciones de alto estrés, por ejemplo, cuando la bacteria se somete a altas temperaturas, por lo que las chaperonas de proteínas de choque térmico son las más abundantes.

Se utiliza una variedad de nomenclaturas para los chaperones. Como proteínas de choque térmico, los nombres están formados clásicamente por "Hsp" seguido de la masa molecular aproximada en kilodaltons; tales nombres se usan comúnmente para eucariotas como la levadura. Los nombres bacterianos tienen formas más variadas y se refieren directamente a su función aparente en el momento del descubrimiento. Por ejemplo, "GroEL" originalmente significa "defecto de crecimiento del fago, superado por mutación en el gen E del fago, subunidad grande".

Hsp10 y Hsp60

Hsp10/60 (complejo GroEL/GroES en E. coli) es el complejo de chaperona grande (~ 1 MDa) mejor caracterizado. GroEL (Hsp60) es un 14mer de doble anillo con un parche hidrofóbico en su apertura; es tan grande que puede acomodar plegamiento nativo de GFP de 54 kDa en su luz. GroES (Hsp10) es un heptámero de un solo anillo que se une a GroEL en presencia de ATP o ADP. Es posible que GroEL/GroES no pueda deshacer la agregación anterior, pero compite en el camino del plegado incorrecto y la agregación. También actúa en la matriz mitocondrial como acompañante molecular.

Hsp70 y Hsp40

hsp70 bolsillo para fijación de sustrato

Hsp70 (DnaK en E. coli) es quizás la chaperona pequeña (~ 70 kDa) mejor caracterizada. Las proteínas Hsp70 cuentan con la ayuda de las proteínas Hsp40 (DnaJ en E. coli), que aumentan la tasa de consumo de ATP y la actividad de las Hsp70. Las dos proteínas se denominan "ADN" en bacterias porque inicialmente se identificaron como necesarias para E. coli replicación del ADN.

Se ha observado que el aumento de la expresión de las proteínas Hsp70 en la célula da como resultado una menor tendencia a la apoptosis. Aunque aún no se ha determinado una comprensión mecánica precisa, se sabe que las Hsp70 tienen un estado de unión de alta afinidad a las proteínas desplegadas cuando se unen a ADP, y un estado de baja afinidad cuando se unen a ATP.

Se cree que muchas Hsp70 se amontonan alrededor de un sustrato desplegado, estabilizándolo y evitando la agregación hasta que la molécula desplegada se pliega correctamente, momento en el que las Hsp70 pierden afinidad por la molécula y se difunden. Hsp70 también actúa como chaperona molecular mitocondrial y cloroplástica en eucariotas.

Hsp90

Hsp90 (HtpG en E. coli) puede ser la chaperona menos comprendida. Su peso molecular es de aproximadamente 90 kDa y es necesario para la viabilidad en eucariotas (posiblemente también para procariotas). La proteína de choque térmico 90 (Hsp90) es una chaperona molecular esencial para activar muchas proteínas de señalización en la célula eucariota.

Cada Hsp90 tiene un dominio de unión a ATP, un dominio medio y un dominio de dimerización. Originalmente se pensó que se sujetaba a su proteína sustrato (también conocida como proteína cliente) al unirse al ATP, las estructuras publicadas recientemente por Vaughan et al. y Ali et al. indican que las proteínas cliente pueden unirse externamente a los dominios N-terminal y medio de Hsp90.

Hsp90 también puede requerir inmunofilinas similares a cochaperonas, Sti1, p50 (Cdc37) y Aha1, y también coopera con el sistema de chaperonas Hsp70.

Hsp100

Hsp100 (familia Clp en E. coli) se han estudiado in vivo e in vitro para su capacidad para apuntar y desplegar proteínas etiquetadas y mal plegadas.

Las proteínas de la familia Hsp100/Clp forman grandes estructuras hexámeras con actividad desplegada en presencia de ATP. Se cree que estas proteínas funcionan como chaperonas al enhebrar procesivamente las proteínas cliente a través de un pequeño poro de 20 Å (2 nm), lo que le da a cada proteína cliente una segunda oportunidad de plegarse.

Algunas de estas chaperonas Hsp100, como ClpA y ClpX, se asocian con la serina proteasa tetradecamérica de doble anillo ClpP; en lugar de catalizar el replegamiento de las proteínas cliente, estos complejos son responsables de la destrucción dirigida de las proteínas etiquetadas y mal plegadas.

Hsp104, la Hsp100 de Saccharomyces cerevisiae, es esencial para la propagación de muchos priones de levadura. La eliminación del gen HSP104 da como resultado células que no pueden propagar ciertos priones.

Bacteriófago

Los genes del bacteriófago (fago) T4 que codifican proteínas con un papel en la determinación de la estructura del fago T4 se identificaron mediante mutantes letales condicionales. La mayoría de estas proteínas demostraron ser componentes estructurales principales o secundarios de la partícula de fago completa. Sin embargo, entre los productos génicos (gps) necesarios para el ensamblaje del fago, Snustad identificó un grupo de gps que actúan catalíticamente en lugar de incorporarse a la estructura del fago. Estas gps eran gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 y gp4 [el gen 4 es sinónimo de los genes 50 y 65 y, por lo tanto, la gp puede denominarse gp4(50)(65)]. Desde entonces, los primeros cuatro de estos seis productos génicos han sido reconocidos como proteínas chaperonas. Además, gp40, gp57A, gp63 y gpwac ahora también se han identificado como acompañantes.

La morfogénesis del fago T4 se divide en tres vías independientes: las vías de la cabeza, la cola y la fibra de la cola larga, tal como lo detallan Yap y Rossman. Con respecto a la morfogénesis de la cabeza, la chaperona gp31 interactúa con la chaperona huésped bacteriana GroEL para promover el plegamiento adecuado de la principal proteína gp23 de la cápside de la cabeza. Chaperone gp40 participa en el ensamblaje de gp20, ayudando así en la formación del complejo conector que inicia el ensamblaje de la procápside de la cabeza. Gp4(50)(65), aunque no figura específicamente como chaperona, actúa catalíticamente como una nucleasa que parece ser esencial para la morfogénesis al dividir el ADN empaquetado para permitir la unión de la cabeza con la cola.

Durante el montaje general de la cola, las proteínas chaperonas gp26 y gp51 son necesarias para el montaje del centro de la placa base. Se requiere Gp57A para el plegamiento correcto de gp12, un componente estructural de las fibras de cola corta de la placa base.

La síntesis de las fibras de cola larga depende de la proteína chaperona gp57A que se necesita para la trimerización de gp34 y gp37, las principales proteínas estructurales de las fibras de la cola. La proteína chaperona gp38 también se requiere para el plegamiento adecuado de gp37. Las proteínas chaperonas gp63 y gpwac se emplean en la unión de las fibras de la cola larga a la placa base de la cola.

Historia

La investigación de chaperones tiene una larga historia. El término "acompañante molecular" apareció por primera vez en la literatura en 1978 y fue inventado por Ron Laskey para describir la capacidad de una proteína nuclear llamada nucleoplasmina para prevenir la agregación de proteínas histonas plegadas con el ADN durante el ensamblaje de los nucleosomas. El término fue posteriormente ampliado por R. John Ellis en 1987 para describir proteínas que mediaban en el ensamblaje postraduccional de complejos proteicos. En 1988, se descubrió que proteínas similares mediaban este proceso tanto en procariotas como en eucariotas. Los detalles de este proceso se determinaron en 1989, cuando se demostró in vitro el plegamiento de proteínas dependiente de ATP.

Importancia clínica

Hay muchos trastornos asociados con mutaciones en genes que codifican chaperonas (es decir, proteinopatía multisistémica) que pueden afectar los músculos, los huesos o el sistema nervioso central.