Heat shock protein 70 (Hsp70) eiwitten zijn een familie van oude en geconserveerde moleculaire chaperonnes. Ze spelen een essentiële rol bij het handhaven van de eiwithomeostase, inclusief het vergemakkelijken van eiwitvouwing en -afbraak, het voorkomen van eiwitaggregatie, en deelnemen aan de stressreactie. Verstoring van de cellulaire kwaliteitscontrolemachines wordt geassocieerd met veroudering, kanker en neurodegeneratieve ziekten.

De rol van post-translationele modificaties (PTM's) bij het reguleren van de functies van Hsp70 is een opkomend onderzoeksgebied. Hoewel oxidatieve stress schadelijk kan zijn, redoxvariatie is een natuurlijk kenmerk van de cellulaire omgeving en vergemakkelijkt de signaaltransductie voor belangrijke fysiologische activiteiten. Cysteïnemodificaties van eiwitten vormen het belangrijkste middel voor de overdracht van redoxsignalen. Glutathionylering is een omkeerbare modificatie van cysteïneresiduen in eiwitten, die eiwitten kunnen beschermen tegen onomkeerbare oxidatie, en kan ook een rol spelen bij signaaltransductie.

In dit onderzoek, glutathionylatie van verschillende Hsp70-familieleden werd gedetecteerd in HeLa-cellen en de modificatieplaatsen werden vastgesteld met massaspectrometrie door onderzoekers van prof. Sarah Perrett en prof. Chen Chang's groep aan het Instituut voor Biofysica van de Chinese Academie van Wetenschappen.

Focussen op stress-induceerbare Hsp70 HspA1A (hHsp70), het gedetailleerde structurele mechanisme van hoe glutathionylatie de eiwitactiviteit en eiwit-eiwitinteracties beïnvloedt, werd onderzocht.

In vivo detectie toonde aan dat elk van de vijf cysteïneresiduen van hHsp70 glutathionylatie kan ondergaan. In vitro-experimenten hebben aangetoond dat modificatie van cysteïnes in het nucleotide-bindende domein van hHsp70 wordt voorkomen door nucleotide-binding, maar dat Cys-574 en Cys-603, gelokaliseerd in het C-terminale α-helix deksel van het substraatbindende domein, kan glutathionylatie ondergaan in zowel de aanwezigheid als afwezigheid van nucleotide.

Door de NMR-structuur van de glutathionyleerde vorm van het hHsp70 SBD op te lossen, de structurele basis voor de functionele veranderingen werd aangetoond. Glutathionylering van deze cysteïneresiduen resulteert in het ontvouwen van de a-helix-lidstructuur. Het ongevouwen gebied bootst substraat na door te binden aan en de substraatbindingsplaats te blokkeren, waardoor intrinsieke ATPase-activiteit wordt bevorderd, en concurreren met binding van externe substraten. Dit leidt tot een vermindering van het vermogen om andere substraateiwitten te binden, zoals de hitteschokfactor Hsf1.

Deze resultaten geven niet alleen aan dat cysteïnemodificatie de structuur en functie van hHsp70 kan veranderen, maar ook dat hHsp70 redox-informatie kan overdragen aan zijn klanten.

Deze studie is gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische chemie op 12 juni 2020.