Chaperones moleculares en el plegamiento de proteínas y

proteostasis

La mayoría de las proteínas deben plegarse en estructuras

tridimensionales definidos para tener actividad funcional.

Pero en el entorno celular, las proteínas recién sintetizadas

están en gran riesgo de plegamiento aberrante y agregación,

formación de especies potencialmente tóxicas. Para evitar

estos peligros, las células de invertir en una red compleja de

las chaperonas moleculares, que utilizan mecanismos

ingeniosos para evitar la agregación y promover plegamiento

eficiente. Debido a las moléculas de proteína son muy

dinámicas, se requiere vigilancia constante acompañante para

asegurar la homeostasis de proteínas (proteostasis). Los

avances recientes sugieren que una disminución relacionada

con la edad en la capacidad de proteostasis permite la

manifestación de diversas enfermedades de agregación de

proteínas, incluyendo la enfermedad de Alzheimer y

enfermedad de Parkinson. Las intervenciones en estos y otros

numerosos estados patológicos pueden surgir de una

comprensión detallada de las vías que subyacen

mantenimiento proteoma.

Las proteínas son las macromoléculas biológicas más versátiles y

estructuralmente compleja. Están involucrados en casi todos los

procesos biológicos. Las células de mamífero expresan típicamente

en exceso de 10.000 especies diferentes de proteínas, que son

sintetizadas en los ribosomas como cadenas lineales de hasta varios

miles de aminoácidos. Para funcionar, estas cadenas deben plegarse

generalmente en su "estado natural", un conjunto de unos pocos

estrechamente relacionada con las estructuras tridimensionales.

¿Cómo se logra esto y cómo las células garantizar la integridad

conformacional de su proteoma en vista de los desafíos agudas y

crónicas constituyen uno de los problemas más fundamentales y

clínicamente significativo en la biología.

Central de este problema es que las proteínas deben conservar la

flexibilidad conformacional para funcionar, por lo que son sólo

marginalmente termodinámicamente estables en su entorno

fisiológico. Una fracción sustancial de todas las proteínas en células

eucariotas (20-30 % del total en células de mamífero) incluso parece

ser inherentemente carente de cualquier estructura tridimensional

ordenada y adoptar conformaciones plegadas sólo después de la

interacción con parejas de unión. El comportamiento aberrante de

algunas de estas proteínas metaestables, tales como tau y α -

sinucleína, puede dar lugar a la formación de agregados fibrilares que

están asociados con la demencia y la enfermedad de Parkinson. Por lo

tanto, el control de calidad de la proteína y el mantenimiento de la

homeostasis del proteoma (conocido como proteostasis) son cruciales

para la salud celular y del organismo. Proteostasis se consigue

mediante una red integrada de varios cientos de proteínas,

incluyendo, lo más prominente, chaperones moleculares y sus

reguladores, que ayudan en la de novo de plegado o replegado, y el

sistema de la ubiquitina - proteasoma (UPS) y el sistema de la

autofagia, que median la eliminación oportuna irreversible de las

proteínas mal plegadas y agregadas. Las deficiencias en proteostasis

se han mostrado para facilitar la manifestación o la progresión de

numerosas enfermedades, tales como la neurodegeneración y la

demencia, la diabetes de tipo 2, la amiloidosis periférica, enfermedad

de almacenamiento lisosomal, la fibrosis quística, el cáncer y la

enfermedad cardiovascular. Un factor de riesgo importante para

muchas de estas enfermedades es la edad avanzada. De hecho, los

estudios en organismos modelo indican que el envejecimiento está

ligada a una disminución gradual en la capacidad celular proteostasis.

Aquí se discuten los últimos conocimientos en los mecanismos de

chaperona asistida por el plegamiento de proteínas y el

mantenimiento proteoma. Nos centramos en cómo las proteínas

utilizan la maquinaria acompañante para navegar con éxito el

complejo panorama de plegado - energía en el ambiente celular lleno

de gente. La comprensión de estas reacciones será guiar futuros

esfuerzos para definir la red proteostasis como un objetivo para la

intervención farmacológica en enfermedades de plegamiento de la

proteína aberrante.

Papel fundamental de las chaperonas moleculares

Muchas proteínas pequeñas replegamiento después de su

eliminación del desnaturalizante in vitro, en ausencia de otros

componentes o una fuente de energía. Esto significa que la secuencia

de amino-ácido, codificada en el ADN, contiene toda la información

necesaria para especificar la estructura tridimensional de una

proteína 1. Sin embargo, la investigación en el último par de décadas

se ha establecido firmemente que en el entorno celular, muchas

proteínas necesitan chaperones moleculares que se pliegan de

manera eficiente y en un plazo de tiempo biológicamente relevante.

¿Por qué es necesario este nivel adicional de complejidad?

Aunque las pequeñas proteínas pueden plegarse a velocidades muy

rápidas (de microsegundos), en soluciones tampón diluidas,,

proteínas multidominio más grandes pueden tardar minutos en horas

a plegarse, e incluso a menudo no llegan a sus estados nativos in

vitro. El plegado de tales proteínas se hace considerablemente más

difícil in vivo, debido a que el entorno celular es muy lleno, con

proteínas citosólicas que alcanzan concentraciones totales de 300-

400 gl-1. Los efectos de volumen excluidos resultantes, a pesar de la

mejora de las interacciones funcionales entre macromoléculas,

también aumentan fuertemente la tendencia de las proteínas no

nativas y estructuralmente flexible para añadir. Parece probable, por

lo tanto, que el requisito fundamental para los chaperones

moleculares surgió muy temprano en la evolución de las células

densamente aglomeradas, debido a la necesidad de minimizar la

agregación de proteínas durante el plegado y mantener las proteínas

en estados solubles, sin embargo, conformacionalmente dinámicos.

Por otra parte, como a menudo mutaciones alteran la capacidad de

una proteína para adoptar un pliegue, se deduce que el sistema

chaperona proporciona un tampón fundamental, lo que permite la

evolución de nuevas funciones de las proteínas y los rasgos

fenotípicos.

Algunos conceptos básicos sobre el plegamiento de las

proteínas y cómo se puede ir mal

Debido a que el número de posibles conformaciones de una cadena

de proteína puede adoptar es muy grande, reacciones plegables son

muy complejas y heterogéneas, basándose en la cooperación de

muchos débiles, las interacciones no covalentes. En el caso de las

proteínas solubles, fuerzas hidrofóbicas son particularmente

importantes en la conducción de colapso de la cadena y el

enterramiento de residuos de aminoácidos no polares en el interior de

la proteína (véase la ref. 13 para una discusión de la membrana de

plegamiento de proteínas). Se ha logrado un progreso considerable

en los últimos años en la comprensión de estas reacciones a través

de experimentos biofísicos y análisis teórico de 1,2. En el modelo

actual, se cree que las cadenas polipeptídicas para explorar

superficies de energía potencial en forma de embudo a medida que

avanzan, a lo largo de varias rutas cuestan abajo, hacia la estructura

nativa (fig. 1). Colapso de la cadena y el incremento progresivo en el

número de interacciones nativas restringen rápidamente el espacio

conformacional que necesita ser buscado en ruta hacia el estado

nativo. Sin embargo, la superficie de energía libre que debe ser

navegado es a menudo resistente, lo que significa que las moléculas

deben cruzar las barreras cinéticas sustanciales durante el plegado.

Como consecuencia de ello, los estados parcialmente plegados

pueden ser transitoriamente poblados como especies cinéticamente

atrapados. Tales intermedios de plegamiento son la regla para las

proteínas de más de 100 aminoácidos ( 90 % de todas las proteínas

en una célula), que tienen una fuerte tendencia a sufrir colapso

hidrofóbico rápida en conformaciones globulares compactas 2. El

colapso podría traducirse bien en glóbulos desorganizados que

carecen de contactos específicos y retener gran entropía

configuracional o intermedios que pueden ser estabilizados por

interacciones no nativas (estados mal plegados). En el primer caso, la

búsqueda de contactos nativos cruciales dentro del glóbulo se

limitará la velocidad de plegado, mientras que en este último, la

rotura de los contactos no nativos puede ser limitante de la velocidad

1 (fig. 1). La propensión de las proteínas para rellenar los intermedios

globulares con un alto grado de flexibilidad puede aumentar más

grandes, con pliegues de dominio topológicamente más complejas

que están estabilizadas por muchas interacciones de largo alcance

(por ejemplo, α / β arquitecturas de dominio). Dichas proteínas son a

menudo altamente dependiente acompañante.

Estados parcialmente plegados o mal plegadas son problemáticos

debido a que tienden a agregarse en una manera dependiente de la

concentración (Fig. 1). Esto es debido al hecho de que estas formas

típicamente exponen residuos y regiones del esqueleto del

polipéptido no estructurada de aminoácidos hidrófobos al disolvente -

características que se entierran en el estado nativo. Como plegable

intermolecular, la agregación es impulsado en gran medida por

fuerzas hidrofóbicas y principalmente los resultados en estructuras

amorfas (Fig. 1). Alternativamente, los agregados fibrilares llamados

amiloide pueden formar, definida por β - filamentos que corren

perpendiculares al eje largo de fibrillas (estructura en cruz β). Aunque

muchas proteínas pueden adoptar estas estructuras altamente

ordenadas, termodinámicamente estables bajo condiciones en vitro,

la formación de estos agregados en vivo está fuertemente limitado

por la maquinaria chaperona, lo que sugiere que pueden llegar a ser

más generalizada bajo estrés o cuando el control de calidad de la

proteína no. Es importante destacar que la formación de agregados

fibrilares suele ir acompañada de la formación de estados

oligoméricos solubles, que se cree que tienen un papel clave en las

enfermedades de plegamiento aberrante (Fig. 1). La toxicidad de

estas formas menos ordenadas y bastante heterogénea se ha

sugerido que se correlaciona con la exposición de superficies

hidrófobas, pegajosas y accesible estructura de péptido - columna

vertebral que aún no está integrado en un núcleo transversal β

estable. Los oligómeros solubles deben someterse a una considerable

reordenamiento a las fibrillas de formulario, el estado final

termodinámico del proceso de agregación, y por lo tanto pueden ser

comparables a los intermedios cinéticamente atrapados en el

plegamiento (Fig. 1). Cabe destacar que algunos epítopos

estructurales comunes se han detectado en los oligómeros prefibrillar

de diferentes polipéptidos, pero, ¿cómo estas características están

relacionadas con la toxicidad aún no se entiende. Esta información es

una necesidad urgente de desarrollar tratamientos para los

numerosos estados patológicos asociados con la agregación de

proteínas.

Las principales clases de chaperonas

Se define un chaperón molecular como cualquier proteína que

interactúa o estabiliza o ayuda a otra proteína para adquirir su

conformación funcionalmente activa, sin estar presente en su

estructura final. Existen varias clases diferentes de chaperones

estructuralmente no relacionados en las células, formando caminos y

redes de cooperación. Los miembros de estas familias de proteínas

son a menudo conocidos como proteínas de estrés o proteínas de

choque térmico (HSP), ya que son regulados hasta en condiciones de

estrés en el que las concentraciones de agregación propensos

aumento intermedios plegables. Los chaperones se clasifican

generalmente de acuerdo a su peso molecular (HSP40, HSP60,

HSP70, HSP90, Hsp100 y los pequeños HSP). Están involucrados en

una multitud de funciones proteoma - mantenimiento, incluyendo de

novo de plegado, el replegamiento de las proteínas de estrés

desnaturalizados, de ensamblaje oligomérico, el tráfico de proteínas y

la asistencia en la degradación proteolítica. Los acompañantes que

participan en términos generales en el plegamiento de proteínas de

novo y replegamiento, tales como los Hsp70s, HSP90s y la

chaperoninas (HSP60s), son máquinas moleculares de múltiples

componentes que promueven plegable través de la ATP - y el cofactor

- regulado ciclos de liberación y de unión. Por lo general reconocen

cadenas laterales de aminoácidos hidrófobos expuestos por proteínas

no nativas y pueden cooperar funcionalmente con chaperonas ATP -

independientes, tales como las pequeñas HSP, que funcionan como

'holdases', agregación de almacenamiento en búfer.

En el mecanismo dependiente de ATP de acción chaperona, de novo

de plegado y replegado de proteínas se promueve a través de

particionamiento cinética (Fig. 2). Unión (o reconsolidación) a las

regiones hidrófobas de una proteína no nativa transitoriamente

bloques de agregación Chaperona; ATP - liberación desencadenada

permite el plegado de proceder. Es importante destacar que, a pesar

de los Hsp70s y las chaperoninas tanto operan por este mecanismo

básico, que se diferencian fundamentalmente en que la primera

liberación (como todos los otros chaperonas dependientes de ATP) la

proteína sustrato para el plegado en solución a granel, mientras que

las chaperoninas cilíndricas permiten el plegado de un solo moléculas

de proteínas en el interior de una jaula. Los dos sistemas actúan

secuencialmente, mediante el cual HSP70 interactúa aguas arriba con

polipéptidos nacientes y recién sintetizada y la función chaperoninas

aguas abajo en el final de plegado de las proteínas que no llegan a

estado nativo por el ciclismo en solo HSP70 20,21 (figuras 2 y 3). En

las siguientes secciones, se utilizará la HSP70, HSP90 chaperonina y

modelos para ilustrar los mecanismos básicos de las principales

máquinas de plegamiento de proteínas citosólicas. Chaperonas

específica del cliente que funcionan aguas abajo de plegado en la

mediación del ensamblaje de complejos oligoméricos no se discuten

(véase, por ejemplo, refs 22 y 23).

El sistema de HSP70

El expresan constitutivamente (HSC70, también conocido como

HSPA8) y formas inducibles por estrés de HSP70 son actores centrales

en el plegamiento de proteínas y el control proteostasis. El aumento

de los niveles de HSP70 también ha demostrado ser eficaz en la

prevención de la agregación de proteínas tóxicas en modelos de

enfermedad. El ciclo de reacción dependiente de ATP de HSP70 se

regula por chaperonas de la HSP40 (también conocido como DnaJ) de

la familia y los factores de cambio de nucleótidos. Algunos de estos

factores también están involucrados en la vinculación de las

funciones de acompañante con el SAI y la autofagia para la

eliminación de las proteínas mal plegadas. Encuadernación y la

liberación por la HSP70 se logra a través del acoplamiento alostérico

de un dominio de pase AT amino - terminal conservado con un

dominio de unión al péptido carboxi-terminal, este último consiste en

un subdominio β - sándwich y un segmento de tapa α - helicoidal (Fig.

2). El β - reconoce segmentos largos, siete residuos enriquecidos en

aminoácidos hidrofóbicos, preferentemente cuando están

enmarcadas por residuos de carga positiva. Tales segmentos se

producen en promedio cada 50-100 aminoácidos en las proteínas, y la

exposición de estos fragmentos se correlaciona con la propensión de

agregación de la proteína. La tapa α - helicoidal y un cambio

conformacional en el dominio β - sándwich regulan el estado afinidad

por el péptido de una manera dependiente de ATP. En el estado de

ATP de ruedas, la tapa adopta una conformación abierta, lo que

resulta en lo alto de las tasas y tarifas de descuento para el péptido.

La hidrólisis de ATP a ADP está fuertemente acelerada por HSP40, que

conduce a cierre de la tapa y de unión del péptido estable (baja en los

precios y tarifas de descanso para el sustrato peptídico) (fig. 2).

HSP40 también interactúa directamente con desplegada polipéptidos

y puede reclutar a los sustratos de proteína HSP70. Después de la

hidrólisis de ATP, un factor de intercambio de nucleótidos - se une al

dominio pase AT de la HSP70 y cataliza el intercambio de ADP - ATP,

lo que resulta en la apertura de la tapa y la liberación de sustrato.

Lanzamiento permite que las moléculas de rápido plegado para

enterrar residuos hidrofóbicos, mientras que las moléculas que

necesitan más que unos pocos segundos para el plegado se vuelva a

enlazar a la HSP70, evitando así la agregación. Unión HSP70 también

pueden resultar en la remodelación conformacional, tal vez la

eliminación de las barreras cinéticas para el proceso de plegado.

Las proteínas que son incapaces de partición de trayectorias de

rápido plegado después de ciclismo HSP70 pueden ser transferidas en

el medio especializado de la jaula chaperonina para el plegado. Entre

ellas se encuentran varias proteínas esenciales, tales como actinas

tubulinas, que se enfrentan a altas barreras energéticas en el

plegamiento y son completamente incapaces de llegar a sus estados

nativos espontáneamente, incluso en solución diluida in vitro.

Las chaperoninas

Chaperoninas son grandes complejos doble timbre de 800-900 kDa

que funcionan por todo el mundo encierra proteínas sustrato hasta 60

kDa para el plegado. Grupo I chaperoninas (también conocido como

HSP60s en eucariotas y GroEL en bacterias) tienen anillos de siete

miembros en bacterias, mitocondrias y cloroplastos, y funcionalmente

cooperar con HSP10 (proteínas GroES en bacterias), que forman la

tapa de la jaula plegable. El grupo de chaperoninas II en arqueas

(thermosome) y el citosol eucariótico (TRiC, también conocido como

AAC) por lo general tienen anillos de ocho miembros. Son

independientes de HSP10 factores.

El sistema GroEL-GroES chaperonina de Escherichia coli ha sido

estudiado más extensivamente (fig. 3). GroEL interactúa con al

menos 250 diferentes proteínas citosólicas. La mayoría de ellos tienen

entre 20 y 50 kDa en tamaño y tienen complejo α / β o α + β

topologías de dominio, como el barril TIM 33 veces. Estas proteínas se

estabilizan por muchas interacciones de largo alcance y se cree que

rellenar flexibles, plegables intermedios cinéticamente atrapados

exponiendo superficies hidrófobas. Los dominios apicales de las

presentes residuos de aminoácidos hidrófobos GroEL para la unión en

el centro del anillo sustrato. Plegado subsiguiente depende de

encapsulación global de sustrato por GroES (fig. 3). GroES de unión

de ATP es regulado y se asocia con un cambio conformacional

marcada de GroEL que conduce a la formación de una jaula con una

pared altamente hidrófilo, neta - cargado negativamente interior.

Proteína encapsulada es libre de doblar en este ambiente durante 10

segundos - el tiempo necesario para la hidrólisis de ATP en el anillo de

GroES - enlazado (anillo cis). Sustrato proteína sale de la jaula

después de GroES disociación, que se desencadena por

alostéricamente ATP vinculante en el ring frente (anillo trans).

Sustrato aún no doblado vuelve a enlazar rápidamente a GroEL para

nuevos intentos de plegado.

Encerrando desplegada proteína, una molécula a la vez, evita la

interrupción de plegado por la agregación o (re) unión a chaperonas

aguas arriba. Además, un efecto de confinamiento estérico

probablemente modula el paisaje plegado - energía. Aunque las

funciones de chaperonina como un dispositivo de prevención pasiva -

agregación para algunas proteínas, encapsulación también pueden

acelerar plegado sustancialmente. Esta aceleración de la frecuencia

puede ser debido al confinamiento estérico, entrópicamente

desestabilizar derrumbó intermediarios de plegamiento pero flexibles,

y promoviendo su conversión a más compactos conformaciones,

nativo. Como se muestra recientemente, el efecto de la jaula plegable

puede ser comparable a la función de los enlaces disulfuro en la

restricción de espacio conformacional en el plegamiento de las

proteínas secretoras. Además, repite curso de los acontecimientos en

la unión y los ciclos sucesivos de liberación se han sugerido para

revertir mal plegadas, estados cinéticamente atrapados que se

estabilizan por interacciones no nativas. Por lo tanto, las

chaperoninas puede ser capaz de suprimir las barreras entrópicas y

entálpico en escarpadas paisajes de energía libre de plegado (Fig. 1).

TRiC, el II chaperonina grupo en el citosol eucariótico, consta de

ocho subunidades paralogous por anillo. Todos II chaperoninas grupo

se desvían de GroEL en que sus dominios apicales contienen

protuberancias en forma de dedo, que actúan como un iris -como,

integrado en la tapa y reemplazar la función de GroES. Estos

segmentos se abren y cierran en un ciclo de proteína - encapsulación

dependiente de ATP, similar en principio a la de GroEL - GroES44. Sin

embargo, el ciclo de reacción TRiC es mucho más lento que el de

GroEL, probablemente proporcionar un período de encapsulación de

proteínas y el plegamiento en la jaula sustancialmente más largo.

TRiC interactúa con aproximadamente el 10 % de las proteínas

citosólicas recién sintetizados, incluyendo la actina y la tubulinas.

Curiosamente, TRIC también funciona en la prevención de la

acumulación de agregados tóxicos de proteína de la enfermedad de

Huntington.

El sistema de HSP90

HSP90 formas de un concentrador proteostasis que controla

numerosos importantes vías de señalización en las células eucariotas.

Estas funciones pleiotrópicos incluyen, entre otros la progresión del

ciclo celular, mantenimiento de los telómeros, la apoptosis, la

transducción de señales mitótico, el transporte de vesículas mediada,

la inmunidad innata y la degradación de proteínas específicas. De

hecho, se cree que la evolución y el mantenimiento de estas redes

funcionales a depender de la capacidad de HSP90 para amortiguar los

efectos de las mutaciones estructuralmente desestabilizadores en los

complejos de proteínas subyacentes, permitiendo de ese modo la

adquisición de nuevos rasgos.

HSP90 funciones aguas abajo de HSP70 en la maduración

estructural y la regulación conformacional de numerosas moléculas

de transducción de señales, tales como quinasas y los receptores de

esteroides. Además, coopera en este proceso con varios reguladores

y compañeros de acompañantes, muchos de los cuales utilizan la

repetición tetratricopeptide (TPR) dominios de atracar en HSP90. Por

ejemplo, el HOP proteína TPR proporciona un vínculo directo entre la

HSP70 y HSP90, permitiendo transfer el sustrato. Aunque el

mecanismo por el cual la HSP90 y sus cofactores mediar cambios

conformacionales en proteínas sustrato aún no se entiende, las

estructuras cristalinas de los últimos HSP90s de larga duración

proporcionan información largamente esperada. HSP90 funciona

como un dímero de subunidades que se ensamblan por sus dominios

C-terminales. Un dominio N-terminal se une e hidroliza ATP y se une

al dominio C -terminal mediante un dominio medio (Fig. 4). El dominio

medio participa en la unión al sustrato e interactúa con el AHA1 co -

chaperona. Similar a otros chaperones, la HSP90 dímero se somete a

un ciclo de reacción ATP - accionado que está acompañada por una

considerable reorganización estructural (fig. 4). La unión del ATP

conduce a la dimerización de los dominios N-terminales, formando

“abrazadera molecular” HSP90. Esto resulta en una compactación del

dímero HSP90, en el que los monómeros individuales se entrelazan

una con otra. Después de la hidrólisis, los dominios pase AT se

disocian y las HSP90 monómeros diferentes N- terminales. Varios

cofactores regulan este ciclo: Cdc37, que ofrece ciertos sustratos de

quinasa para HSP90, inhibe la actividad de pase AT, y HOP inhibe la

dimerización N-terminal. AHA1 estimula la hidrólisis de ATP, mientras

que p23 se estabiliza la forma dimerizada de HSP90 antes de la

hidrólisis de ATP. Estos factores se cree que ajustar las propiedades

cinéticas del ciclo para lograr ciertas transiciones conformacionales

en sustratos de HSP90 - enlazados, así como su liberación a partir de

la HSP90.

¿Cómo HSP90 recluta diferentes tipos de proteínas sustrato con la

ayuda de diversos co- chaperonas sigue siendo enigmática. HSP90

parece tener varias regiones de interacción sustrato y la fuerza de

unión parece estar fuertemente influenciada por la flexibilidad

estructural del sustrato, en línea con la función propuesta de la HSP90

como un condensador evolutiva en la protección de variantes de

proteínas mutadas de la degradación. Debido a varios sustratos de

HSP90 son quinasas con papeles bien documentados en el desarrollo

del tumor, la inhibición de HSP90 con fármacos tales como

geldanamicina ha surgido como una estrategia prometedora para el

tratamiento de ciertos tipos de cáncer. Estos fármacos inhiben

específicamente la función de pase AT de la HSP90. Probablemente

serán útiles no sólo en la terapia del cáncer, sino también en el

tratamiento de enfermedades virales, debido a el hecho de que varios

virus patógenos secuestrar el sistema de HSP90 y lo utilizan para

ensamblaje de la cápsida. Sin embargo, la inhibición global de la

HSP90 es probable que resulte en una alteración marcada de circuitos

celulares, y sería deseable encontrar maneras de inhibir sólo aspectos

específicos de la función de HSP90.

De ribosoma a la proteína plegada

La síntesis vectorial de polipéptidos en el ribosoma tiene importantes

implicaciones en el proceso de plegado que se entienden sólo en

parte. Las preguntas claves se refieren a la fase en la que la cadena

naciente comienza a plegarse y la medida en que el proceso de

traducción modula el paisaje de energía libre de plegado. Al abordar

estas cuestiones, es útil considerar primero, las proteínas de un solo

dominio pequeños, que tienden a plegarse de forma espontánea in

vitro. El proceso de traducción para tales proteínas parece aumentar

el riesgo de mal plegamiento y la agregación considerablemente,

debido a que un polipéptido naciente incompleta no es capaz de

plegarse en una conformación nativa estable y la concentración local

de las cadenas nacientes en el contexto de poli ribosomas es muy

alta. Además, el canal de salida de la subunidad ribosómica grande,

que es de 100 Å de largo, pero en la mayoría de 20 Å de ancho, es

desfavorable para doblar más allá de α -hélices y pequeños

elementos terciarios que pueden comenzar a formar cerca de la

salida del túnel; se por lo tanto evita que las C-terminal de residuos

de aminoácidos de la cadena de participar en interacciones de largo

alcance que son necesarios para cooperativa dominio plegado. Como

consecuencia, puede ocurrir sólo después de plegamiento productivo

de la proteína completa ha surgido del ribosoma. Debido a que la

traducción es relativamente lento ( 4-20 aminoácidos s - 1), cadenas

nacientes están expuestos en estados parcialmente plegados,

sensibles a la agregación durante períodos de tiempo considerables.

Por otra parte, los contactos intracatenarios no nativos formados

durante la traducción o interacciones con la superficie ribosómico

altamente cargado podrían retrasar plegado después de la

finalización de la síntesis. Por estas razones, se cree que las cadenas

nacientes de interactuar co - traduccional con chaperones ribosomas

determinada, que inhiben su plegamiento prematuro (mal) y

mantener la cadena naciente en un estado no agregado, plegable

competente (Fig. 5). Por ejemplo, el factor de activación bacteriana se

une a la pequeña titina I 27 cadena ( 120 aminoácidos) a lo largo de

traducción, presumiblemente retrasar colapso de la cadena hasta que

el dominio β - sándwich completo ha surgido del ribosoma y está

disponible para plegado. Por otra parte, la agregación de cadenas

nacientes se desfavorecido por el densamente poblado, pseudohelical

disposición de los ribosomas en los complejos polyribosome - una

organización que maximiza la distancia entre los sitios de salida de la

cadena naciente en ribosomes65 adyacente.

Aunque las proteínas de un solo dominio alcanzarán su estado nativo

después de la traducción, las proteínas multidominio pueden

someterse a dominio - sabia plegable co -traduccional, como plegar

independientemente unidades estructurales ( 50-300 aminoácidos de

longitud) emerge de forma secuencial desde el ribosoma. Este

proceso evita el contacto entre dominios no nativos, suavizando así el

paisaje plegado - energía para las grandes proteínas. Secuencial

dominio plegado durante la traducción, que es altamente eficiente en

ribosomas eucarióticos, probablemente promueve la evolución

explosiva de proteínas multidominio complejas en eucariotas. Se cree

plegable Co -traduccional que ser ayudado por la velocidad de

elongación más lento de los ribosomas eucariotas ( 4 aminoácidos s -

1 en eucariotas frente a 20 aminoácidos s - 1 en las bacterias) y,

como resultado de diversas adaptaciones de la maquinaria de

plegado. Por ejemplo, los ribosomas eucariotas se unen los complejos

especializados chaperona HSP70 (Fig. 5) y la unión y liberación de la

HSC70 canónica de las cadenas nacientes pueden coordinarse con

velocidad de desplazamiento con el fin de apoyar plegable dominio se

refiere. El eucariota chaperonina TRiC es reclutado para cadenas

nacientes por HSC70 (ref. 69) y otros factores de aguas arriba, tales

como pre plegado, permitiendo de plegado co -traduccional. Por otra

parte, el ajuste de plegado co-translacional puede conseguirse por

traslación haciendo una pausa en los codones raros. En general, la

traducción y la chaperona maquinaria eucariota han sido altamente

optimizados a través de la evolución, asegurando plegado eficiente

para la mayor parte de las proteínas recién sintetizada..

El chaperón vías de operar en el retículo endoplasmático (ER) siguen

los principios de organización análogos, pero maquinaria

especializada se utiliza en la formación de disulfuro - bono y la

glicosilación de muchas proteínas secretoras.

Mantenimiento proteoma y la red proteostasis

Aunque en general se acepta que no se requiere la maquinaria

acompañante de plegado de proteínas inicial, sólo estamos

empezando a apreciar la medida en que muchas proteínas dependen

de la asistencia macromolecular largo de su vida celular para

mantener o recuperar sus conformaciones funcionalmente activas. En

comparación con los procariotas, los proteomas de células eucariotas

son altamente complejo, que comprende un número mucho mayor y

la diversidad de las proteínas multidominio. En el entorno celular

dinámico, estas proteínas se enfrentan constantemente a numerosos

retos a sus estados plegados ; son el resultado de modificaciones post

-traduccionales (fosforilación y acetilación), los cambios en la

fisiología celular y alteraciones en la composición y la concentración

de ligandos de moléculas pequeñas que pueden influir en proteínas

estabilidad. Por otra parte, el 20-30% de todas las proteínas en

células de mamífero son intrínsecamente no estructurada, es decir,

que pueden adoptar conformaciones tridimensionales definidos sólo

después de la unión a otras macromoléculas o superficies de

membrana. Tales proteínas probablemente necesitan ayuda para

evitar interacciones aberrantes y de agregación, en particular cuando

se incrementa su concentración y no se encuentran en complejos con

moléculas asociadas.

Estas consideraciones ayudan a explicar por qué las células tienen

que invertir en una amplia red de factores, que comprende proteínas

800 en las células humanas ( 200 acompañantes y compañeros de

chaperones y 600 UPS y componentes autofagia), que cooperan para

mantener la integridad conformacional del proteoma y proporcionar

la adaptación a los cambios en el medio ambiente. Esta red

proteostasis integra componentes generales y especializados

chaperonas para plegamiento de la proteína y el tráfico con la

maquinaria para la desagregación y la degradación proteolítica de las

proteínas mal plegadas (irreversiblemente el SAI y el sistema de la

autofagia) (Fig. 6). La notable complejidad del sistema se deriva de la

expansión, en los organismos multicelulares, de la diversidad de los

componentes reguladores para los sistemas de chaperonas

principales (HSP70 y HSP90) y de los factores de acoplamiento

funcionalmente estas chaperonas con el SAI y el sistema de la

autofagia. Por ejemplo, diversos cofactores HSP70, tales como el

athanogeno BCL2 - asociado (BAG) y ciertas proteínas de la familia

HSP40s, contienen dominios de tipo ubiquitina o ubiquitina -

interactuando. El cofactor HSP70 y HSP90 conocido como carboxilo

terminal de la proteína Hsp70 de interacción (CHIP) tiene actividad

ubiquitina ligasa E3 y canales ciertas proteínas mutantes o dañado

hacia la degradación proteasomal. En particular, CHIP es sólo uno de

varios cientos de ligasas E3 diferentes, lo que refleja la enorme

importancia de las vías proteolíticas para proteostasis y la regulación

celular. Curiosamente, mientras que la eliminación de especies de

proteínas mal plegadas por el SAI requiere que estas moléculas se

mantienen en un estado no agregado por chaperones, se cree que la

eliminación de la autofagia para involucrar mecanismos activos para

obligar a esas moléculas en grande, presumiblemente menos tóxicos,

agregados. Estas inclusiones son a menudo depositadas en sitios

subcelulares específicos cerca del centro organizador de

microtúbulos, conocidos como agregados.

La red proteostasis está regulada por varias vías de señalización

interconectadas, algunas de las cuales son la tensión de respuesta y

garantizar que el plegamiento de proteínas celulares y / o

degradación está adaptada para evitar la acumulación de mal

plegada y especies propensas a la agregación (Fig. 6). Estas vías

incluyen la respuesta al estrés citosólica y la respuesta de la proteína

desplegada de las vías de ER y mitocondrias, así como de

señalización que controlan la biogénesis de ribosomas y la capacidad

de traslación (Cuadro 1). ¿Cómo las aportaciones de las diferentes

ramas estén coordinadas y afinado es sólo parcialmente entendida,

pero la capacidad proteostasis y capacidad de respuesta al estrés

puede variar considerablemente en diferentes tipos de células.

Colapso Proteostasis en el envejecimiento y la enfermedad

La acumulación de proteínas mal plegadas y/u oxidada en las

células durante el envejecimiento es un reto para el sistema

proteostasis y eventualmente resulta en la deposición de los

agregados, como se muestra en organismos modelo tales como

Caenorhabditis elegans y Drosophila. La incapacidad de las células

para restaurar proteostasis normal puede resultar en la enfermedad,

e incluso en la muerte celular. En efecto, numerosas enfermedades

son ahora reconocidos para ser asociado con el plegamiento de

proteínas aberrante y por lo general se clasifican como de pérdida de

función o las enfermedades de ganancia de función tóxica, aunque los

estados patológicos específicos a menudo muestran elementos de

ambos grupos. Los primeros son generalmente causados por

mutaciones hereditarias e incluyen numerosos trastornos como la

fibrosis quística, enfermedades de depósito lisosomal y la deficiencia

de α1 - antitripsina. Este último, trastornos de ganancia de función,

incluye la diabetes tipo 2 y las principales enfermedades

neurodegenerativas (enfermedad de Parkinson, enfermedad de

Huntington, esclerosis lateral amiotrófica y la enfermedad de

Alzheimer) y son ya sea esporádica o causada por mutaciones que

hacen que las proteínas específicas más de agregación propensos.

Estas enfermedades ganancia de función son típicamente relacionada

con la edad y son causadas por la acumulación de amiloide o amiloide

como agregados de la proteína de la enfermedad. Una posible

explicación para la aparición tardía de estas enfermedades es

provista por la evidencia reciente de los organismos modelo que las

vías de señalización que regulan proteostasis se integran con los

mecanismos genéticos y epigenéticos que controlan la longevidad

(Cuadro 1). Por lo tanto, la disminución relacionada con la edad en

proteostasis y específicamente en la incapacidad para regular al alza

chaperones en respuesta a las presiones de conformación

desencadenaría manifestación de la enfermedad y a su vez, acelerar

el colapso proteostasis.

Aunque el principio de funcionamiento tóxicos en estos trastornos

está lejos de ser comprendido, está surgiendo un consenso que los

agregados oligoméricos solubles, que pueden ser 'en - vía "o" fuera

de ruta' hacia la formación de fibrillas, son las especies citotóxicos

primarios (Fig. 1). Una hipótesis destacada sugiere que estos

oligómeros exponen a superficies hidrófobas promiscuas que pueden

mediar interacciones aberrantes con varias otras proteínas o con las

membranas celulares. En apoyo de esta propuesta, un estudio

reciente de la proteómica en células humanas mostraron que ciertas

proteínas metaestables se dirigen preferentemente por tales

interacciones, lo que resulta en su co - agregación con la enfermedad

amiloidogénica proteína. Las proteínas co - agregación en general son

grandes en tamaño y se enriquecen en regiones intrínsecamente no

estructurados, las propiedades que se acoplan con un alto grado de

funcionalidad. En consecuencia, tienden a ocupar posiciones de cubo

esenciales en redes de proteínas celulares, incluyendo la regulación

de la transcripción, la traducción y el mantenimiento de la

arquitectura celular, lo que sugiere que su secuestro por los

agregados amiloides resultados en la toxicidad multifactorial. Una

manifestación interesante de este mecanismo de toxicidad es la

reciente demostración de que la agregación de p53 mutante puede

ejercer potencial oncogénico dominante por el secuestro de p53 de

tipo salvaje en los compañeros de los agregados, lo que resulta en

una pérdida completa de la función de p53.

Toxicidad agregada puede ser agravado por la incapacidad de las

células afectadas para responder adecuadamente a estímulos de

estrés. Esto es consistente con la evidencia reciente de que las

especies de proteínas aberrante plegadas pueden interferir con las

funciones Proteostasis centrales, incluyendo el plegamiento de

proteínas y los mecanismos de aclaramiento. En particular, la

sobreexpresión de los miembros del sistema de HSP70 se ha

demostrado que inhiben la formación de oligómeros tóxicos y para

prevenir la formación de agregados de amiloide de la enfermedad de

diferentes proteínas. En el caso de las proteínas de poliglutaminas -

repetición, la cual causa la enfermedad de Huntington y varios

trastornos neurodegenerativos relacionados, HSP70 coopera con la

chaperonina TRiC para evitar la acumulación de oligómeros

potencialmente tóxicos, que es una reminiscencia de la cooperación

funcional entre estos sistemas de chaperonas en proteínas de novo

plegado.

Sobre la base de estos hallazgos, la regulación al alza de la función

chaperona farmacológica promete abrir nuevas estrategias para el

tratamiento de numerosos estados patológicos asociados con el

plegamiento aberrante y la agregación. Experimentos de prueba de

principio que utilizan compuestos de moléculas pequeñas para

aumentar la síntesis de acompañante y reequilibrar proteostasis (por

ejemplo, mediante la activación de choque térmico factor de

transcripción - 1 (vías HSF- 1) - regulados) ya han demostrado su

eficacia en la pérdida de la función y modelos de enfermedad de

ganancia de función tóxica. Del mismo modo, recientemente

identificado activadores del proteasoma 94 tienen el potencial de

acelerar la liquidación de especies de proteínas tóxicas,

particularmente cuando se aplica en combinación con la regulación

positiva chaperona. A diferencia de los fármacos convencionales,

tales " reguladores Proteostasis ' no sería específica de la enfermedad

o de la proteína específica, por lo que puede ser aplicable a todo un

grupo de enfermedades relacionadas - un nuevo concepto en la

práctica médica.

Pronóstico

Estudios realizados durante las últimas dos décadas han

proporcionado una visión fascinante de la mecánica de la chaperona

asistida por el plegamiento de proteínas, pero todavía hay grandes

lagunas en nuestra comprensión de cómo las vías de plegado en la

célula se diferencian de los estudiados en el tubo de ensayo. El

progreso se ve frenada por el problema de que los métodos biofísicos

sofisticados utilizados para caracterizar intermediarios de

plegamiento in vitro no son fácilmente transferibles a la situación in

vivo. Mayor potencial de innovación tanto, se puede esperar de la

evolución de las técnicas de imagen avanzadas, con el tiempo que

nos permite monitorear los cambios conformacionales en una sola

cadena polipeptídica como se desprende de los ribosomas, lleva a

cabo su función biológica y es finalmente degradado en la célula viva.

Mucha investigación también se estimula por el concepto emergente

de que las chaperonas moleculares funcionan como el elemento

central de una red celular mucho más grande de control de

proteostasis, que comprende, además, la maquinaria de la biogénesis

de proteínas, así como el SAI y el sistema de la autofagia.

Desentrañar el complejo circuito de regulación de esta red y entender

por qué pierde su agarre durante el envejecimiento planteará un reto

importante en los próximos años. La solución de este problema

requerirá un amplio enfoque de biología de sistemas basándose en

una combinación de perfiles de ribosoma, proteómica cuantitativa y

modelado computacional. ¿Cómo reaccionan las células al estrés

conformacional o deficiencia proteostasis a nivel proteoma está claro.

Las preguntas clave incluyen la determinación de cómo ciertos

aberrante plegamiento de proteínas agregadas en especies tóxicas,

mientras que otros se degradan, cómo la composición de los cambios

proteosoma durante el envejecimiento, lo que la firma de un

proteoma juvenil es, y cómo podemos encontrar maneras de

mantener por más tiempo de lo que edad. Para abordar estas y otras

cuestiones relacionadas no sólo ofrece grandes oportunidades para la

intervención de numerosas enfermedades actualmente incurables,

sino también con el tiempo revelará la relación fundamentalmente

importante entre proteostasis y longevidad.

Figura 1 | Conflicto de reacciones de plegamiento de

proteínas y agregados. Esquema de la superficie en forma de

embudo de energía libre que las proteínas explorar a medida que

avanzan hacia el estado nativo (verde) mediante la formación de

contactos intramoleculares (modificado de referencias 19 y 95). La

robustez de los resultados paisaje de energía libre en la acumulación

de conformaciones cinéticamente atrapadas que necesitan para

atravesar barreras de energía libre favorable para llegar a una ruta

cuesta abajo. In vivo, estos pasos pueden ser acelerados por

chaperones. Cuando varias moléculas se pliegan simultáneamente en

el mismo compartimento, la superficie de energía libre de plegado

puede solaparse con la de la agregación intermolecular, dando como

resultado la formación de agregados amorfos, oligómeros tóxicos o

fibrillas amiloides ordenado (rojo). Agregación fibrilar se produce

normalmente por polimerización dependiente de la nucleación. Se

puede iniciar a partir de intermedios de población durante el

plegamiento de novo o después de la desestabilización del estado

nativo (estados parcialmente plegadas) y, normalmente, es impedido

por chaperonas moleculares.

Figura 2 | El ciclo chaperona HSP70.HSP70 cambia entre alta y

baja afinidad para los estados desplegado y parcialmente plegado de

proteínas de unión a ATP y la hidrólisis. Desplegada y sustrato

parcialmente plegada (cadena naciente o proteína de estrés -

desnaturalizado), la exposición de segmentos peptídicos hidrófobos,

se entrega a ATP determinada HSP70 (abierto; baja afinidad por el

sustrato con alta en las tasas de y fuera de tasas) por uno de varios

cofactores HSP40. La hidrólisis de ATP, que se acelera por HSP40,

resultados en cierre de la tapa un - helicoidal del dominio de unión al

péptido (amarillo) y la unión fuerte de sustrato por HSP70 (cerrado;

alta afinidad con baja en las tasas de y fuera de las tasas). La

disociación de ADP catalizada por uno de varios factores de

intercambio de nucleótidos (NEF) se requiere para el reciclaje. La

apertura de la tapa un - helicoidal, inducida por la unión del ATP, los

resultados en la liberación de sustrato. Plegable se promueve la

agregación y se evita cuando tanto la tasa de plegado constante

(Kfold) es mayor que la constante de asociación (Kon) para la unión

de chaperona (o reconsolidación) de los estados parcialmente

plegados, y Kon es mayor que por la asociación intermolecular de

orden superior agregación tasa constante K agg (Kfold> K en > Kagg)

(partición cinética). Para las proteínas mal plegadas que pueblan

estados, Kon puede ser mayor que K veces (K = K veces en > Kagg).

Estas proteínas se estabilizan por HSP70 en un estado no agregado,

sino que requieren la transferencia en la jaula chaperonina para el

plegado. Después de la tensión conformacional, K agg puede llegar a

ser más rápido que Kon, y la agregación se produce (Kagg > Kon =

Kfold), a menos que la expresión chaperón es inducida a través de la

vía de respuesta al estrés. Estructuras en esta figura se refieren a la

proteína Data Bank (PDB) la adhesión códigos 1DKG, 1DKZ, 2KHO y

2QXL. Pi, fosfato inorgánico.

Figura 3 | plegable en el chaperonina cage.Substrate

GroEL.GroES unión a GroEL (tras el cambio de HSP70) puede resultar

en desarrollo local de 42. La unión del ATP a continuación,

desencadena una reordenación conformacional de los dominios

apicales GroEL. Esto es seguido por la unión de GroES (formando el

complejo cis) y la encapsulación sustrato para el plegado. Al mismo

tiempo, ADP y GroES se disocian de lo contrario anillo de GroEL

(trans), lo que permite la liberación del sustrato que había sido

encerrado en el antiguo complejo cis 32 (omitido de la figura por

simplicidad). El nuevo sustrato permanece encapsulado, libre de

doblar, durante el tiempo necesario para hidrolizar los siete moléculas

de ATP en el complejo cis recién formado ( 10 s). La unión de ATP y

GroES al anillo trans provoca la apertura del complejo cis. Un

simétrica GroEL - (GroES) 2 complejo puede formar transitoriamente.

Modelo estructural se basa en 1AON adhesión AP.

Figura 4 | ciclo de pase AT de un sistema HSP90.En sentido

horario desde la parte superior izquierda, la unión del ATP al pase del

dominio AT N-terminal (ND) de la apo-HSP90 induce un cambio

conformacional y el cierre de la tapa de la ATP en la ND. Después de

cierre de la tapa, el NDs dimerize, formando la HSP90 dímero cerrado

(abrazadera molecular) con subunidades retorcidos. Esta

conformación metaestable se compromete a la hidrólisis de ATP.

Después de la hidrólisis, la END se disocian. La molécula de sustrato

inactivo interactúa principalmente con el dominio medio (MD) y se

conformacionalmente activa como HSP90 procede a través de la al

ciclo de Pase. Los cofactores Cdc37, salto, AHA1 y p23 acelerar o

ralentizar determinadas etapas del ciclo. Estructuras relacionadas con

adhesiones AP 2IOQ, 2O1U, 2CG9 y 2O1V. CD, C-terminal AT Pase

dominio.

Figura 5 | Organización de las vías de acompañantes en las

bacterias citosol. Bacteria a la (izquierda) y eucariotas (derecha),

chaperones esa función en la estabilización de polipéptidos nacientes

en los ribosomas y en el inicio de plegado cooperar con la maquinaria

que actúa aguas abajo en la realización de plegado. El número de

sustratos que interactúan se indica como un porcentaje del proteoma

total. La primera categoría incluye factores de chaperonas que se

unen en estrecha proximidad con el sitio de salida del polipéptido

ribosómico, tales como el factor desencadenante (TF) en bacterias y

complejos HSP70 especializados (complejo ribosoma-asociado (Rac)

en Saccharomyces cerevisiae, MPP11 y HSP70L1 en células de

mamífero) y de la naciente cadena asociada al complejo (NAC) en

eucariotas). Estas chaperonas se unen segmentos de cadena

hidrófobos. Los miembros no ribosomas determinada de la función

como chaperones de segundo nivel para las cadenas nacientes ya la

familia HSP70 (DnaK en bacterias y en eucariotas HSC70), co-

mediación o plegado después de la traducción. También distribuyen

subconjuntos de proteínas chaperonas de aguas abajo, tales como la

chaperoninas (GroEL en bacterias y en eucariotas TRIC) y HSP9052.

Substrato de transferencia HSC70 a la HSP90 se promueve por el HOP

proteína de acoplamiento. La flecha indica que la vía no está bien

establecida. Estructuras relacionadas con adhesiones AP 1DKG, 1DKZ,

2KHO, 1W26, 3IYF, 2AVY, 2AW4, 1FXK, 3LKX, 2IOQ, 2QWR y 1NLT. N,

proteína nativa; GrpE, GrpE proteínas, ARNm, ARN mensajero, PFD,

pre plegado.

La figura 6 | destino de proteínas en la red proteostasis.

Figura 5.

Un ejemplo de la Hsc70 modelo vinculante y la hidrólisis de ATP en

serie para el desmontaje de las jaulas clatrina destacando la

secuencia de eventos en una sola triskelion. 1: Auxilin tiene una alta

afinidad para las piernas triskelion que forman parte de una jaula de

clatrina y se une a una estequiometria de uno por triskelion. 2: Un

Hsc70: complejo de ATP se une a la clatrina: complejo auxilin. 3: La

interacción entre el dominio J y Hsc70 de auxilin estimula la hidrólisis

de ATP e induce un cambio conformacional en Hsc70, aumentando su

afinidad por clatrina. 4: reposiciona Auxilin, y una segunda Hsc70:

ATP sea contratado a la clatrina: complejo auxilin. 5: El segundo

interactúa con Hsc70 de auxilin J dominio, el ATP se hidroliza, y el

resultante Hsc70: complejo de ADP se une fuertemente a la clatrina.

Después de la hidrólisis, la auxilin reposiciona de nuevo, y la tercera

Hsc70: El ATP se une a la clatrina: complejo auxilin. 6: La hidrólisis de

los terceros resultados de ATP en una débil interacción entre el

triskelion (Hsc70: ADP) 3 complejo y la jaula. El paso limitante de la

velocidad es el desmontaje de triskelia que conduce al colapso de la

jaula. 7: El Hsc70: ADP complejo tiene una alta afinidad por el triskelia

liberado y permanece unida, mientras que la afinidad de triskelia

(Hsc70: ADP) 3 para auxilin es baja; la auxilin previamente

consolidado es libre ahora para volver a enlazar la jaula de una

manera catalítica (8).