I årtionden, molekylärbiologer som studerar en klass av molekylära chaperoner som kallas värmechockproteiner (Hsp70s) har förlitat sig på Hsp70s som finns i bakterier som modellsystem. Nu rapporterar en av världens experter på molekylen och hennes team att deras undersökning av huruvida Hsps från däggdjursceller beter sig som de i bakterier avslöjar "viktiga evolutionära variationer" mellan dem.

Lila Gierasch, en expert på Hsp70s vid University of Massachusetts Amherst, med sin forskargrupp, rapporterar att Hsp70 från däggdjursceller beter sig helt annorlunda än bakteriell Hsp70. På grund av de viktiga roller Hsp70 spelar i proteinfelveckningssjukdomar som cancer och neurodegenerativa sjukdomar, de nya fynden "kommer att ha en stor inverkan på hur vi tänker om Hsp70s, " hon säger.

Som Gierasch påpekar, "Vi har förlitat oss på den bakteriella versionen av Hsp70s för att studera så länge, vi tyckte att det var dags att fråga om eukaryota Hsp70s beter sig som de i bakterier eller inte. Trots allt, det är inte så förvånande att de kan vara olika eftersom bakterier är så strömlinjeformade och har mindre funktionell komplexitet än eukaryoter." Molekylära chaperoner hjälper celler att bibehålla friska proteiner genom att hjälpa nysyntetiserade proteiner att vika sig till deras funktionella strukturer och genom att skydda cellerna från stress som värme chock, som skadar proteiner, tillägger hon.

"Jag vill betona att det vi lärde oss i bakterier är absolut nödvändigt för att förstå de mer sofistikerade familjemedlemmarna i däggdjursförföljaren. Vi har dissekerat arkitekturen hos bakterien Hsp70 och relaterat den till dess funktionella strukturella förändringar. Vi visste vikten av viktiga gränssnitt mellan funktionella domäner. Vi noterade att det fanns utbredda evolutionära variationer i dessa gränssnitt i däggdjurs Hsp70s. Vi postulerade att dessa variationer skulle återspeglas i funktionell diversifiering."

Detaljer om detta arbete som finansierats av NIH:s Maximizing Investigators' Research Awards-program visas denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences . Gieraschs medförfattare inkluderar postdoktorn Wenli Meng, forskningsassistent Eugenia Clerico och en doktorand, Natalie McArthur, nu doktorand vid Columbia.

Gierasch förklarar att de mångsidiga chaperonemolekylerna, kända som universella verktyg för cellulär proteinveckning, interagerar med många olika typer av protein och är involverade i många cellulära funktioner. Hsp70s hjälper proteiner att vika sig, att translokera över membran, att sätta ihop till komplex, att vara mål för nedbrytning, och för att undvika skadlig felveckning och aggregering. De är tänkta som nav i cellens finbalanserade proteinkvalitetskontrollnätverk av goda skäl, konstaterar hon.

Forskarna påpekar att Hsp70s utför dessa många och varierande funktioner genom en konserverad mekanism som är beroende av cykler av nukleotidmodulerad bindning och frisättning av deras klientproteiner, en process som Gierasch hänvisar till som "domändockning och avdockning." För att undersöka cyklerna för domändockning och avdockning av både eukaryota och bakteriella Hsps i detalj, Gierasch och kollegor använde domändissektionstekniker, biokemiska analyser och specialiserade kärnmagnetiska resonansspektrometriexperiment.

De rapporterar att de har hittat "betydande skillnader" mellan hur bakteriella och eukaryota chaperoner fungerar, särskilt att den bakteriella Hsp70 gynnar ett tillstånd där de två domänerna är "intimt dockade betydligt mer" jämfört med de mer löst bundna eukaryota chaperonerna. Gierasch säger, "I bakteriecellen, chaperonen kan hålla kvar sin klient längre. Föreställ dig händer som håller i ett rep. I den eukaryota cellen ser det ut som att handen tar tag övergående och släpper taget hela tiden, medan molekylen i bakteriecellen håller tätt för det mesta."

Molekylärbiologen spekulerar i att det kan vara evolutionärt fördelaktigt för eukaryota celler att ha utvecklat en mer flexibel bindningsteknik som är öppen för att överlämna sina klienter för nedströmsprocesser snabbare och smidigare. "Det kan vara så att bakteriefunktionen är mer specifik och smalare, domineras av biosyntes av protein och ger hjälp vid veckning. Men den eukaryota Hsp70 kan behövas för att förmedla sin klient till partners i någon av de funktioner som den deltar i – Hsp70 bör inte hålla för hårt. Om klienten vistas i en Hsp70 för länge, det kommer inte att lämnas över till nästa process, " påpekar Gierasch.

"Dessa resultat understryker inställbarheten av Hsp70-funktioner genom modulering av allosteriska gränssnitt genom evolutionär diversifiering, "författarna säger, "och föreslår också platser där bindningen av småmolekylära modulatorer kan påverka Hsp70-funktionen." Dessa insikter bör hjälpa forskare att förstå mekanismen för Hsp70 funktionella mångfald och designa specifika småmolekylära Hsp70-modulatorer, lägger de till.

Att kunna "trimma" Hsp70s har länge varit ett mål för medicinska forskare som letar efter sätt att behandla sjukdomar som cancer och neurologiska störningar. Som Gierasch förklarar, dock, chaperonmolekylerna är så intimt involverade i så många cellprocesser att försök att modulera någon av dem kommer att påverka andra processer.

"Om du vill bota cancer kanske du vill hämma Hsp70s, " konstaterar hon, "men om du vill ha en terapi för Alzheimers, som är en proteinvikningssjukdom, du vill aktivera dem. Vår nya djupare förståelse av de eukaryota Hsp70s kan erbjuda en väg att modulera dem med mer specificitet. Det kan ge oss förmågan att isolera och reglera en viss funktion."