БТШ70: структура и основные функции

Семейство БТШ70– наиболее изученное и многочисленное семейство БТШ, занимающее центральное место в защите клетки в условиях стресса. Белки семейства БТШ70 (68 - 73 кДа) наиболее консервативны в эволюции и имеют сходную структуру у разных организмов (Margulis et al., 1989). Они содержат, по крайней мере, три домена, один из которых отвечает за связывание АТФ, второй - за связывание полипептидных цепей, третий - за связывание кальмодулина (Wang et al., 1993).

Конститутивные белки этого семейства функционируют в цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР), митохондриях и ядре. Индуцибельные белки семейства БТШ70 сразу после ТШ в основном локализуются в ядре, связываясь с хроматином (Velazques et al., 1980) и концентрируясь в районе ядрышка (Pelham, 1984). В ходе восстановления после ТШ эти белки перемещаются в цитоплазму (Arrigo et al., 1980).

Белки семейства БТШ70 относятся к молекулярным шаперонам, которые представляют собой обширную группу клеточных белков, при нормальных условиях, обеспечивающих разворачивание и транспорт полипептидных цепей через мембраны, а также укладку вновь синтезированных полипептидов в третичную и четвертичную структуры (Saibil, 2013). БТШ70 выполняет функции, свойственные молекулярным шаперонам: участвует в сборке вновь синтезированных белков; переносит белки через мембраны органелл; участвует в разборке олигомерных белковых структур и протеолитической деградации нестабильных белков; контролирует биологическую активность регуляторных белков, включая транскрипционные факторы (Mayer, 2013).

БТШ70 связывается с денатурированными белками, предотвращает их дальнейшую агрегацию и возвращает к нативному состоянию, используя энергию АТФ и помощь белков-кошаперонов (Nollen, Morimoto, 2002). Связываясь с денатурированными белками, БТШ70 поддерживают их в частично "раскрученном" виде (Hartl, Hayer-Hartl, 2002). Способность этого семейства белков узнавать несвернутые пептиды связана с особенностями их строения: COOH-терминальный домен содержит полость, в которой происходит связывание полипептида. БТШ70 узнает линейные полипептидные последовательности, богатые гидрофобными аминокислотами. Из-за гидрофобной природы такие повторы локализуются внутри нормально свернутого белка, и, следовательно, расположение таких повторов на поверхности белка является признаком неправильной конформации. Было показано, что гидрофобные последовательности, которые узнают БТШ70, встречаются в различных белках в среднем через каждые 40 аминокислотных остатков (Frydman, 2001). Взаимодействие с БТШ70 приводит к стабилизации белка-субстрата в развернутом виде, что предотвращает агрегацию (рис. 13).

Рис. 13. Механизм действия БТШ (по Lindner R.A. et al., 2001).

Далее либо сразу происходит правильное сворачивание белка, либо субстрат переносится на другой тип шаперонов для дальнейшего восстановления нативной конформации. На каждом этапе сворачивания белка происходит гидролиз АТФ с участием J-белка (J-белки характеризуются наличием J-домена, который может регулировать активность БТШ70), а диссоциация АДФ стимулируется белками Hip (Hsp70-interacting protein) и Hop (Hsc70/Hsp90-organizing protein). Эти белки принадлежат к большой группе кошаперонов, которые регулируют и помогают основным шаперонам (в частности, БТШ). Они могут сами по себе иметь шаперонную активность, что видно по их способности предотвращать агрегацию полипептидов, и таким образом связываться с БТШ70 и БТШ90 и быть клиентом одновременно. Некоторые кошапероны не взаимодействуют с клиентом полипептидов и выполняют регуляторную функцию шаперонной активности. Связывание БТШ70 с АТФ и субстратом стимулируется белком Hap (Hsp70 and Hsc70-associating protein) (Gebauer, 1998).

Помимо защиты клетки от стресса, шапероны выполняют важные функции в нормальных условиях. БТШ70 необходимы для фолдинга вновь синтезируемых белков при отделении их от рибосомы (Nelson et al., 1992). Шапероны важны для транспорта белков в митохондрии и ЭПР. БТШ70 и кБТШ70 необходимы для фолдинга вновь синтезируемых белков при отделении их от рибосомы (Nelson et al., 1992).

В основе многих нейродегенеративных процессов лежит нарушение метаболизма и функций ряда белков, обладающих повышенной склонностью к агрегации. Процесс неконтролируемой агрегации этих белков и пептидов с последующим формированием характерных внутриклеточных или внеклеточных отложений является ключевым звеном патогенеза НДЗ. Белковые агрегаты образуют СБ, тельца Леви, прионовые бляшки, НФК и другие амилоидныe отложения в различных отделах ЦНС. БТШ70 обладают функциями, способными предотвратить образование подобных отложений. Но ЦНС чрезвычайно сложна как на молекулярном и клеточном, так и на структурно-функциональном уровне организации, и действий одних БТШ не достаточно для полноценной терапии НДЗ. В опытах на животных показано, что для долговременной памяти необходим синтез белка de novo и что в ходе закрепления, вероятно, происходят изменения на уровне синапсов (Берд, 2002). Все процессы нервной системы направляются на молекулярном уровне целым комплексом веществ-регуляторов, взаимосвязанных сложными механизмами. Один из таких путей регуляции – выработка нейротрофических факторов.