Hsp70 - Hsp70

protéine Hsp70
Structure du fragment ATPase d'une protéine apparentée au choc thermique 70K.
Identifiants
symbole	HSP70
Pfam	PF00012
Clan Pfam	CL0108
InterPro	IPR013126
PROSITE	PDOC00269
SCOP2	3hsc / SCOPe / SUPFAM
Structures protéiques disponibles : Pfam   structures / ECOD   APD ADP RCSB ; PDBe ; PDBj somme PDB résumé de la structure

Les protéines de choc thermique de 70 kilodaltons ( Hsp70 s ou DnaK ) sont une famille de protéines de choc thermique conservées exprimées de manière ubiquitaire . Des protéines de structure similaire existent dans pratiquement tous les organismes vivants. Les Hsp70 localisées au niveau intracellulaire sont une partie importante de la machinerie cellulaire pour le repliement des protéines , exécutant des fonctions de chaperonnage et aidant à protéger les cellules des effets néfastes des stress physiologiques . De plus, les Hsp70 liées à la membrane ont été identifiées comme une cible potentielle pour les thérapies contre le cancer et leurs homologues localisés extracellulairement ont été identifiés comme ayant à la fois des structures liées et sans membrane.

Découverte

Les membres de la famille Hsp70 sont très fortement régulés à la hausse par le stress thermique et les produits chimiques toxiques , en particulier les métaux lourds tels que l'arsenic, le cadmium, le cuivre, le mercure, etc. Le choc thermique a été initialement découvert par Ferruccio Ritossa dans les années 1960 lorsqu'un employé de laboratoire a accidentellement augmenté l'incubation. température de la drosophile (mouches des fruits). Lors de l'examen des chromosomes, Ritossa a trouvé un "modèle de bouffée" qui indiquait la transcription génique élevée d'une protéine inconnue. Ceci a été décrit plus tard comme la « réponse au choc thermique » et les protéines ont été appelées « protéines de choc thermique » (Hsp).

Structure

(a) Les domaines schématiques Hsp70s. Les Hsp70 se composent de deux domaines fonctionnels hautement conservés, dont un NBD et un domaine de liaison au substrat C-terminal (SBD), également un motif EEVD au niveau C-terminal. Le NBD contient la poche ATP/ADP qui se lie et le SBD contient une poche de liaison au substrat qui interagit avec les polypeptides étendus en tant que substrat, un sous-domaine -hélicoïdal du côté C-terminal du SBD forme un couvercle flexible. EEVD‐motif participe à la liaison avec les co‐chaperons et autres HSP. (b) la séquence complète d'acides aminés de la Hsp70 humaine (identifiant UniProtKB : P0DMV8) en tant que membre majeur inductible par le stress de la famille Hsp70. (c) Structures secondaires de Hsp70 virtualisées à l'aide du logiciel VMD 1.9.1. Hsp70, protéine de choc thermique 70 kDa; NBD, domaine de liaison aux nucléotides N‐terminal ; SBD, domaine de liaison au substrat en C‐terminal.

Les protéines Hsp70 possèdent trois domaines fonctionnels majeurs :

• Domaine ATPase N-terminal - lie l'ATP ( Adénosine triphosphate ) et l'hydrolyse en ADP ( Adénosine diphosphate ). Le NBD (domaine de liaison aux nucléotides) est constitué de deux lobes avec une fente profonde entre eux, au fond desquels les nucléotides (ATP et ADP) se fixent. L'échange d'ATP et d'ADP entraîne des changements de conformation dans les deux autres domaines.
• Domaine de liaison au substrat - est composé d'un sous-domaine en feuille de 15 kDa et d'un sous-domaine hélicoïdal de 10 kDa. Le sous-domaine de feuille β se compose de feuilles brin avec des boucles saillantes vers le haut, comme un baril β typique , qui entourent le squelette peptidique du substrat. Le SBD contient un sillon avec une affinité pour les résidus d' acides aminés neutres et hydrophobes . Le sillon est suffisamment long pour interagir avec des peptides jusqu'à sept résidus de longueur.
• Domaine C-terminal - riche en structure hélicoïdale alpha agit comme un «couvercle» pour le domaine de liaison au substrat. Le sous-domaine hélicoïdal se compose de cinq hélices, avec deux hélices groupées contre les deux côtés du sous-domaine en feuille β, stabilisant la structure interne. De plus, l'une des hélices forme un pont salin et plusieurs liaisons hydrogène avec les boucles externes, fermant ainsi la poche de liaison au substrat comme un couvercle. Trois hélices dans ce domaine forment un autre noyau hydrophobe qui peut être la stabilisation du "couvercle". Lorsqu'une protéine Hsp70 est liée à l'ATP, le couvercle est ouvert et les peptides se lient et se libèrent relativement rapidement. Lorsque les protéines Hsp70 sont liées à l'ADP, le couvercle est fermé et les peptides sont étroitement liés au domaine de liaison au substrat.

Phosphorylation du résidu sérine isolé par la protéine kinase.

La phosphorylation des protéines, une modification post-traductionnelle, aide à réguler la fonction des protéines et implique la phosphorylation des acides aminés avec des groupes hydroxyle dans leurs chaînes latérales (chez les eucaryotes). Les acides aminés sérine, thréonine et tyrosine sont des cibles courantes de la phosphorylation. La phosphorylation de Hsp70 est devenue un point de plus grande exploration dans la littérature scientifique relativement récemment. Une publication de 2020 suggère que la phosphorylation d'un résidu de sérine entre le NBD et le domaine de liaison au substrat dans la levure Hsp70s conduit à une réduction spectaculaire de la réponse normale au choc thermique Hsp70. Cette désactivation via la phosphorylation d'une protéine est un motif courant dans la régulation des protéines et démontre comment des changements relativement faibles de la structure des protéines peuvent avoir des effets biologiquement significatifs sur la fonction des protéines.

Fonction et régulation

Le système Hsp70 interagit avec des segments peptidiques étendus de protéines ainsi qu'avec des protéines partiellement repliées pour provoquer l'agrégation de protéines dans des voies clés pour réguler à la baisse l'activité. Lorsqu'elle n'interagit pas avec un peptide substrat, Hsp70 est généralement dans un état lié à l'ATP. La Hsp70 en elle-même est caractérisée par une activité ATPase très faible , de sorte qu'une hydrolyse spontanée ne se produira pas avant plusieurs minutes. Au fur et à mesure que les protéines nouvellement synthétisées émergent des ribosomes , le domaine de liaison au substrat de Hsp70 reconnaît les séquences de résidus d'acides aminés hydrophobes et interagit avec elles. Cette interaction spontanée est réversible, et dans l'état lié à l'ATP, Hsp70 peut relativement librement se lier et libérer des peptides . Cependant, la présence d'un peptide dans le domaine de liaison stimule l'activité ATPase de Hsp70, augmentant sa vitesse normalement lente d'hydrolyse de l'ATP. Lorsque l'ATP est hydrolysé en ADP, la poche de liaison de Hsp70 se ferme, liant étroitement la chaîne peptidique maintenant piégée. Les cochaperons dits du domaine J accélèrent encore l' hydrolyse de l'ATP : principalement Hsp40 chez les eucaryotes et DnaJ chez les procaryotes . Ces cochaperons augmentent considérablement l'activité ATPase de Hsp70 en présence de peptides en interaction.

La fonction de Hsp70 à la fois dans le (re) repliement et la dégradation de la protéine client mal repliée. (a) Schéma du cycle Hsp70 ATP-ADP pour le (re) repliement de la protéine cliente qui provoque un changement de conformation du chaperon, l'hydrolyse de l'ATP et l'échange. (b) Complexe Hsp70-CHIP qui favorise l'ubiquitination des protéines clientes et la dégradation du protéasome. CHIP interagit avec le domaine TPR de Hsp70 et agit comme une ubiquitine ligase pour les clients. CHIP, immunoprécipitation de la chromatine; Hsp70, protéine de choc thermique 70 kDa; TPR, domaine de répétition tétratricopeptide

En se liant étroitement aux séquences peptidiques partiellement synthétisées (protéines incomplètes), Hsp70 les empêche de s'agréger et de devenir non fonctionnelles. Une fois la protéine entière synthétisée, un facteur d'échange de nucléotides ( GrpE procaryote , BAG1 eucaryote et HspBP1 sont parmi ceux qui ont été identifiés) stimule la libération d'ADP et la liaison d'ATP frais, ouvrant la poche de liaison. La protéine est alors libre de se replier d'elle-même ou d'être transférée à d'autres chaperons pour un traitement ultérieur. HOP (l' H SP70 / Hsp90 O rganiser P rotein) peut se lier à la fois Hsp70 et Hsp90, en même temps, et sert de médiateur pour le transfert de peptides de Hsp70 à Hsp90.

Hsp70 aide également au transport transmembranaire des protéines, en les stabilisant dans un état partiellement replié. Il est également connu pour être phosphorylé ce qui régule plusieurs de ses fonctions.

Les protéines Hsp70 peuvent agir pour protéger les cellules du stress thermique ou oxydatif. Ces stress agissent normalement pour endommager les protéines, provoquant un dépliement partiel et une agrégation possible. En se liant temporairement aux résidus hydrophobes exposés par le stress, Hsp70 empêche ces protéines partiellement dénaturées de s'agréger et les inhibe de se replier. Un faible ATP est caractéristique du choc thermique et une liaison soutenue est considérée comme une suppression de l'agrégation, tandis que la récupération après un choc thermique implique la liaison au substrat et le cycle des nucléotides. Dans un anaérobie thermophile ( Thermotoga maritima ), la Hsp70 démontre une liaison sensible à l'oxydoréduction aux peptides modèles, suggérant un deuxième mode de régulation de liaison basé sur le stress oxydatif.

Hsp70 semble pouvoir participer à l'élimination des protéines endommagées ou défectueuses. L'interaction avec CHIP ( C arboxyl-terminus of H sp70 I nteracting P rotein) – une ubiquitine ligase E3 – permet à Hsp70 de transmettre des protéines aux voies d' ubiquitination et de protéolyse de la cellule .

Enfin, en plus d'améliorer l'intégrité globale des protéines, Hsp70 inhibe directement l' apoptose . Une caractéristique de l'apoptose est la libération du cytochrome c , qui recrute ensuite Apaf-1 et dATP/ATP dans un complexe apoptosome . Ce complexe clive ensuite la procaspase-9, activant la caspase-9 et induisant finalement l'apoptose via l' activation de la caspase 3 . Hsp70 inhibe ce processus en bloquant le recrutement de la procaspase-9 au complexe apoptosome Apaf-1/dATP/cytochrome c. Il ne se lie pas directement au site de liaison de la procaspase-9, mais induit probablement un changement de conformation qui rend la liaison de la procaspase-9 moins favorable. Il est démontré que Hsp70 interagit avec la protéine capteur de stress du réticulum endoplasmique IRE1alpha, protégeant ainsi les cellules de l'apoptose induite par le stress du RE. Cette interaction a prolongé l'épissage de l'ARNm de XBP-1, induisant ainsi une régulation à la hausse de la transcription des cibles de XBP-1 épissé comme EDEM1, ERdj4 et P58IPK, sauvant les cellules de l'apoptose. D'autres études suggèrent que Hsp70 peut jouer un rôle anti-apoptotique à d'autres étapes, mais n'est pas impliquée dans l'apoptose médiée par le ligand Fas (bien que Hsp 27 le soit). Par conséquent, Hsp70 sauve non seulement des composants importants de la cellule (les protéines), mais aussi directement la cellule dans son ensemble. Considérant que les protéines de réponse au stress (comme Hsp70) ont évolué avant la machinerie apoptotique, le rôle direct de Hsp70 dans l'inhibition de l'apoptose fournit une image évolutive intéressante de la façon dont la machinerie plus récente (apoptotique) s'est adaptée à la machinerie précédente (Hsp), alignant ainsi l'amélioration de l'intégrité des protéines d'une cellule avec l'amélioration des chances de survie de cette cellule particulière.

Cancer

Hsp70 est surexprimé dans le mélanome malin et sous- exprimé dans le cancer du rein . Dans la lignée cellulaire du cancer du sein (MCF7), il a été découvert que non seulement Hsp90 interagissait avec le récepteur des œstrogènes alpha (ERα), mais également que Hsp70-1 et Hsc70 interagissaient également avec ERα.

Compte tenu du rôle des protéines de choc thermique en tant qu'ancien système de défense pour stabiliser les cellules et éliminer les cellules anciennes et endommagées, ce système a été coopté par les cellules cancéreuses pour favoriser leur croissance. Il a été démontré en particulier qu'une augmentation de Hsp70 inhibe l'apoptose des cellules cancéreuses, et qu'une augmentation de Hsp70 est associée ou induit directement le cancer de l'endomètre, du poumon, du côlon, de la prostate et du sein, ainsi que la leucémie. Hsp70 dans les cellules cancéreuses peut être responsable de la tumorigenèse et de la progression tumorale en offrant une résistance à la chimiothérapie. Il a été démontré que l'inhibition de Hsp70 réduit la taille des tumeurs et peut provoquer leur régression complète. Hsp70/Hsp90 est une cible particulièrement intéressante pour la thérapeutique, car elle est régulée par l'inhibition de son activité ATPase, tandis que d'autres HSP sont régulées par des nucléotides. Plusieurs inhibiteurs ont été conçus pour Hsp70 et font actuellement l'objet d'essais cliniques, bien qu'à ce jour, les inhibiteurs de HSP90 aient eu plus de succès. De plus, il a été démontré que Hsp70 est un régulateur du système immunitaire, activant le système immunitaire en tant qu'antigène. Ainsi, la Hsp70 d'origine tumorale a été suggérée comme un vaccin potentiel ou une voie à cibler pour l'immunothérapie. Compte tenu de l'expression accrue de Hsp70 dans le cancer, il a été suggéré comme biomarqueur pour le pronostic du cancer, avec des niveaux élevés laissant présager un mauvais pronostic.

Expression dans le tissu cutané

Il a été démontré que Hsp70 et HSP47 sont exprimés dans le derme et l' épiderme après une irradiation laser , et les changements spatiaux et temporels des modèles d'expression HSP définissent la zone de dommages thermiques induits par le laser et le processus de guérison des tissus. Hsp70 peut définir biochimiquement la zone de dommages thermiques dans laquelle les cellules sont ciblées pour la destruction, et HSP47 peut illustrer le processus de récupération des dommages induits thermiquement.

Neurodégénérescence

L'inhibition de Hsp90 conduit à une régulation positive de Hsp70 et Hsp40, qui peut canaliser les protéines mal repliées pour la dégradation du protéasome, ce qui peut potentiellement inhiber la progression des maladies neurodégénératives. Par exemple, la surexpression de Hsp70 dans des cellules de neurogliome humain transfectées avec de l'alpha-synucléine mutante a conduit à 50% moins d'espèces d'alpha-synucléine oligomères, indiquant la possibilité que l'augmentation de son expression pourrait diminuer la propagation de la maladie de Parkinson. De même, la surexpression de Hsp70 a supprimé l'agrégation dépendante de poly-Q et la neurodégénérescence dans les cultures cellulaires, les modèles de levure, de mouche et de souris, et la suppression de hsp70 a augmenté la taille des corps d'inclusion polyQ, suggérant que l'augmentation de son expression pourrait aider à prévenir la maladie de Huntington. De même, des réductions de Hsp70 ont été démontrées dans des modèles murins transgéniques de SLA et des patients atteints de SLA sporadique. Enfin, une expression ou une activité accrue de Hsp70 a été proposée comme méthode pour prévenir la progression de la maladie d'Alzheimer, car le renversement de Hsp70 a favorisé la toxicité A-bêta, et il a été démontré que Hsp70 favorise la stabilité de la protéine tau, tandis que les niveaux de Hsp70 sont diminués dans les tauopathies comme La maladie d'Alzheimer. Compte tenu de l'interaction complexe entre les différentes protéines chaperons, le développement thérapeutique dans ce domaine vise à étudier comment le réseau chaperon dans son ensemble peut être manipulé et l'effet de cette manipulation sur la progression de la maladie neurodégénérative, mais l'équilibre des niveaux de Hsp70 et Hsp90 semble être au centre de cette physiopathologie.

Membres de la famille

Les procaryotes expriment trois protéines Hsp70 : DnaK , HscA (Hsc66) et HscC (Hsc62) .

Les organismes eucaryotes expriment plusieurs protéines Hsp70 légèrement différentes. Tous partagent la structure de domaine commune, mais chacun a un modèle unique d'expression ou de localisation subcellulaire. Ce sont, entre autres :

• Hsc70 (Hsp73/HSPA8) est une protéine chaperon exprimée de manière constitutive. Il représente généralement un à trois pour cent de la protéine cellulaire totale.
• Hsp70 (codée par trois paralogues très proches : HSPA1A , HSPA1B et HSPA1L ) est une protéine induite par le stress. Des niveaux élevés peuvent être produits par les cellules en réponse à l'hyperthermie, au stress oxydatif et aux changements de pH .
• La protéine d'immunoglobuline de liaison ( BiP ou Grp78 ) est une protéine localisée dans le réticulum endoplasmique . Il y est impliqué dans le repliement des protéines et peut être régulé à la hausse en réponse au stress ou à la famine.
• mtHsp70 ou Grp75 est leHsp70 mitochondrial .

Voici une liste des gènes Hsp70 humains et de leurs protéines correspondantes :

Hsp 90 et 110

Les Hsp90 sont essentielles pour le remodelage des protéines, similaires aux protéines Hsp70, et jouent un rôle particulièrement vital chez les eucaryotes, où il a été suggéré que Hsp90 interagit avec le système DnaK (composé de DnaK, GrpE et DnaJ ou CbpA) pour faciliter le processus du remodelage protéique. Dans E. coli, Hsp90s travaille en collaboration avec Hsp70s pour faciliter le remodelage et l'activation des protéines. Hsp90Ec et DnaK sont des chaperons de Hsp90 et Hsp70, respectivement. DnaK se lie initialement et stabilise la protéine mal repliée avant de travailler en collaboration avec Hsp90Ec pour replier ce substrat et provoquer son activation. Dans des conditions d'excès de DnaK, ce chaperon s'est avéré inhiber le remodelage des protéines. Cependant, la présence de Hsp90Ec peut atténuer cet effet et permettre le remodelage des protéines malgré des conditions d'excès de DnaK.

La superfamille Hsp70 comprend également une famille de protéines Hsp110 / Grp170 (Sse), qui sont des protéines plus grosses liées à Hsp70. La famille de protéines Hsp110 a des fonctions divergentes : la levure Sse1p a peu d'activité ATPase mais est un chaperon à elle seule ainsi qu'un facteur d'échange de nucléotides pour Hsp70, tandis que la Sse2p étroitement apparentée a peu d'activité unfoldase.

Ce qui suit est une liste de gènes HSP110 humains actuellement nommés. HSPH2-4 sont des noms proposés et le nom actuel est lié :

Voir également

• Protéine de choc thermique 70 (Hsp70) site d'entrée interne du ribosome (IRES)

Les références

Liens externes

• HSP70+Heat-Shock+Proteins à la National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH) des États-Unis