Al decenia, moleculair biologen die een klasse van moleculaire chaperonnes bestuderen die bekend staan ​​als heat shock-eiwitten (Hsp70's), hebben vertrouwd op de Hsp70's die in bacteriën worden aangetroffen als het modelsysteem. Nu melden een van 's werelds experts op het gebied van het molecuul en haar team dat hun onderzoek naar de vraag of Hsps van zoogdiercellen zich gedragen als die in bacteriën, "belangrijke evolutionaire variaties" tussen hen aan het licht brengt.

Lila Gierasch, een expert op het gebied van Hsp70's aan de Universiteit van Massachusetts Amherst, met haar onderzoeksteam, rapporteren dat Hsp70's uit zoogdiercellen zich heel anders gedragen dan bacteriële Hsp70's. Vanwege de belangrijke rol die Hsp70's spelen bij ziektes die verkeerd vouwen, zoals kanker en neurodegeneratieve ziekten, de nieuwe bevindingen "zullen een grote impact hebben op hoe we denken over Hsp70's, " ze zegt.

Zoals Gierasch opmerkt, "We hebben zo lang op de bacteriële versie van Hsp70s vertrouwd om te studeren, we dachten dat het tijd was om te vragen of eukaryote Hsp70's zich gedragen zoals die in bacteriën of niet. Ten slotte, het is niet zo verwonderlijk dat ze anders kunnen zijn omdat bacteriën zo gestroomlijnd zijn en minder functionele complexiteit hebben dan eukaryoten." Moleculaire chaperonnes helpen cellen om gezonde eiwitten te behouden door nieuw gesynthetiseerde eiwitten te helpen zich naar hun functionele structuren te vouwen en door cellen te beschermen tegen stress zoals hitte schok, die eiwitten beschadigen, zij voegt toe.

"Ik wil benadrukken dat wat we in bacteriën hebben geleerd absoluut essentieel is voor het begrijpen van de meer geavanceerde familieleden van zoogdieren. We hebben de architectuur van de bacteriële Hsp70 ontleed en deze in verband gebracht met zijn functionele structurele veranderingen. We kenden het belang van belangrijke interfaces tussen functionele domeinen. We merkten op dat er wijdverbreide evolutionaire variaties waren in deze interfaces in de Hsp70's van zoogdieren. We veronderstelden dat deze variaties zouden worden weerspiegeld in functionele diversificatie."

Details van dit werk, gefinancierd door het Maximizing Investigators' Research Awards-programma van de NIH, verschijnen deze week in Proceedings van de National Academy of Sciences . Tot de co-auteurs van Gierasch behoren postdoctoraal onderzoeker Wenli Meng, onderzoeksassistent-professor Eugenia Clerico en een niet-gegradueerde, Natalie McArthur, nu een afgestudeerde student aan Columbia.

Gierasch legt uit dat de veelzijdige chaperonne-moleculen, bekend als universele hulpmiddelen voor het vouwen van cellulaire eiwitten, interageren met veel verschillende soorten eiwitten en zijn betrokken bij veel cellulaire functies. Hsp70's helpen eiwitten te vouwen, transloceren over membranen, samenvoegen tot complexen, gericht zijn op degradatie, en om schadelijk verkeerd vouwen en samenvoegen te voorkomen. Ze worden niet voor niets gezien als knooppunten in het fijn uitgebalanceerde netwerk voor eiwitkwaliteitscontrole van de cel, merkt ze op.

De onderzoekers wijzen erop dat Hsp70's deze vele en gevarieerde functies vervullen door een geconserveerd mechanisme dat afhankelijk is van cycli van nucleotide-gemoduleerde binding en afgifte van hun client-eiwitten, een proces waarnaar Gierasch verwijst als 'domain docking and undocking'. Om de cycli van domeindocking en undocking van zowel eukaryote als bacteriële Hsps in detail te onderzoeken, Gierasch en collega's gebruikten domeindissectietechnieken, biochemische testen en gespecialiseerde experimenten met nucleaire magnetische resonantiespectrometrie.

Ze melden dat ze "aanzienlijke verschillen" hebben gevonden tussen de werking van de bacteriële en eukaryote chaperonnes, met name dat de bacteriële Hsp70 een toestand begunstigt waarin de twee domeinen "intiem aanzienlijk meer gedokt zijn" in vergelijking met de meer losjes gebonden eukaryote chaperonnes. Gierasch zegt, "In de bacteriële cel, de chaperonne kan zijn cliënt langer vasthouden. Stel je voor dat handen een touw vasthouden. In de eukaryote cel lijkt het alsof de hand tijdelijk grijpt en de hele tijd loslaat, terwijl in de bacteriële cel het molecuul zich het grootste deel van de tijd stevig vasthoudt."

De moleculair bioloog speculeert dat het evolutionair voordelig zou kunnen zijn voor eukaryote cellen om een ​​flexibelere bindingstechniek te hebben ontwikkeld die openstaat om zijn klanten sneller en soepeler over te dragen aan stroomafwaartse processen. "Het kan zijn dat de bacteriële functie specifieker en smaller is, gedomineerd door biosynthese van eiwitten en hulp bij het vouwen. Maar de eukaryote Hsp70 moet mogelijk zijn client doorgeven aan partners in een van de vele functies waaraan hij deelneemt - de Hsp70 mag niet te strak blijven zitten. Als de cliënt te lang in één Hsp70 verblijft, het wordt niet overgedragen aan het volgende proces, " merkt Gierasch op.

"Deze resultaten onderstrepen de afstembaarheid van Hsp70-functies door modulatie van allosterische interfaces door evolutionaire diversificatie, " de auteurs stellen, "en suggereren ook plaatsen waar de binding van modulatoren met kleine moleculen de Hsp70-functie zou kunnen beïnvloeden." Deze inzichten moeten onderzoekers helpen het mechanisme van Hsp70-functionele diversiteiten te begrijpen en specifieke Hsp70-modulatoren met kleine moleculen te ontwerpen, ze voegen toe.

Het kunnen "afstellen" van Hsp70's is al lang een doel van medische onderzoekers die manieren zoeken om ziekten zoals kanker en neurologische aandoeningen te behandelen. Zoals Gierasch uitlegt, echter, de chaperonne-moleculen zijn zo nauw betrokken bij zoveel celprocessen dat een poging om een ​​van hen te moduleren, andere processen zal beïnvloeden.

"Als je kanker wilt genezen, wil je misschien Hsp70s remmen, " merkt ze op, "maar als je een therapie voor de ziekte van Alzheimer wilt, wat een eiwitvouwziekte is, u ze wilt activeren. Ons nieuwe diepere begrip van de eukaryote Hsp70's kan een route bieden om ze met meer specificiteit te moduleren. Het kan ons de mogelijkheid geven om een ​​bepaalde functie te isoleren en te reguleren."