Chaperones: Helping Proteins Reach Their Proper Folded State分子伴侣:帮助蛋白质形成正确折 叠状态的一类分子 02级1班 王丹词汇:chaperone 分子伴侣(伴侣蛋白) drosophila 果蝇 larvae 幼虫giant chromosome 巨型染色体elevation 上升heat shock response 热激反应mammal 哺乳动物concentration 浓度multisubunit 多亚基的tobacco mosaic virus 烟草花叶病 毒bacteriophage 噬菌体phage 同上 evolve 进化symmetrically 对称地 catalyze 促使起反应polypeptide 多肽 intermediate 居中的mass 质量hydrophobic 疏水的residue 残余物 droplet 小滴soluble 可溶的denature 变性aggregate 集合物crowbar 断裂 monomeric 单体 mitochondrial crystallography 结晶chamber 小室ethane 乙烷 cap 帽子 conformation 构形volume 容积tertiary 第三位的adjacent 邻近的approximately 近似地encapsulate 囊状的flexibility 柔韧性incubate 慢慢地形成immunoprecipitate 免疫沉淀物 prone 倾向于Testing and Thinking1. Where can Chaperons be found？ Can proteins fold on their own? 2.What level of structure was being formed in this picture? 分子伴侣的发现1962年,意大利生物学家F.M.Ritossa 在研究果蝇(Drosophila)的发育时,发现:当 培养果蝇的温度从正常的25上升到 32时，幼虫(larvae )细胞中的一些巨型 染色体上的新的位点变得异常活跃。研究 表明，温度的升高促使一些新基因的表达 。这就是热激反应（heat-shock response)的发现。我们都知道噬菌体 (bacteriophage)通过寄主细 菌遗传物质完成其自我组装 ，所以噬菌体自身的组装需 要细菌的帮助。1973年发现，一种突变细 菌GroE却不能支持噬菌体 的正常组装。原因是： GroE染色体上的两个基因 GroEL和GroES编码翻译的 两个独立的蛋白质GroEL和 GroES不正常，致使噬菌体 组装错误。大多数蛋白质的折叠都服从经典的“自组装学 说”，不需要其他分子的帮助和外加能量的补充 。近年来研究发现，体内新生肽链的折叠事实上 需要其他分子的帮助。从而产生了蛋白质折叠的 “辅助性组装”（assisted assembling)学说，使经 典的蛋白质折叠的“自组装学说”发生了革命性的 转变。新的观点认为，新生肽链折叠并组装成有 功能的蛋白质并非都能自发完成，在相当多的情 况下是需要其他蛋白质帮助的，这类帮助蛋白包 括分子伴侣（ molecular chaperones ）和折叠 酶（folding enzymes, foldases)。 分子伴侣的概念及其特点Definition: Proteins that interact with partially folded or improperly folded polypepetides, facilitating correct folding pathways or providing microenvironments in which folding can occur.1991年Ellis等人提出了分子伴侣的基本概念：一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它 们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装， 而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构 执行功能时的组份 这个概念有3个特点：1.凡具有这种功能的蛋白都称为分子伴侣 ，尽管是完全不同的蛋白质。（同源性 ）2.作用机制不清楚3.分子伴侣一定不是最终组装完成的结构 的组成部分，但不一定是一个分离的实 体。（分子内伴侣）分子伴侣结构上的共同特点分子伴侣在结构上具有一些共同特点.1.家组成员具有高度保守性2.家组成员结构上具有相似性3.组成型表达4.家族成员都具有可被底物激活和增强的弱 ATP酶活性分子伴侣的种类分子伴侣的分类和分布 分类种属细胞内的定位核质蛋白家族Nucleoplasmin真核生物细胞核基质Protein XLNO-38真核生物细胞核基质NuleoplasminS真核生物细胞核基质Hsp70Hsp70(Hsp40、Hsp24)所有生物细胞质和细胞骨架，热休克后移至细胞核及核 仁质膜上；哺乳动物线粒体 DnaK (DnaJ、GrpE)大肠杆菌细胞质Ssa1-4 SsB1 SsC1 SsD1酵母细胞质和线粒体Bip哺乳动物内质网Hsp60家族GroEL(GroES)大肠杆菌细胞质Cpn60(cpn10)真核细胞线粒体和叶绿体基质RBP植物叶绿体分类种属细胞内的定位TCP-1家族TF55古细菌细胞质Tric(TCP-1）真核生物细胞质Hsp90家族Hsp90哺乳动物细胞质Hsp83, Hsp87酵母和果蝇细胞质Grp94哺乳动物内质网Hsp100家族Hsp104酵母细胞质和核、核仁中ClpX大肠杆菌细胞质1) 伴侣素家族（chaperonin, Cpn） Cpn 家族是具有独特的双层 7-9 元环状结构的寡聚蛋白 （ Hemminngwen 1988; Cheng 1989 ），它们以依赖 ATP 的方式促进体内正常和应急条件下的蛋白质折叠。 Cpns 又 分为两组： GroEL(Hsp60) 家族和 TriC 家族。 GroEL 型的 Cpns 存在于真细菌、线粒体和叶绿体中，由双层 7 个亚基 组成的圆环组成，每个亚基分子量约为 60Ku 。它们在体内 与一种辅助因子，如 E. coli 中的 GroES ，协同作用以帮助 蛋白折叠。除了叶绿体中的类似物外，这些蛋白是应急反应 诱导的。人们对 GroEL 和 GroES 的结构、功能及其作用机 制做了十分详尽的研究。 TRiC 型（ TCP-1 环状复合物）存 在于古细菌和真核细胞质中，由双层 8 或 9 元环组成，亚基 分子量约为 55K ，与小鼠中 TCP-1 尾复合蛋白（ TCP-1 tail complex protein ）有同源性。这种 Cpn 没有类似 GroES 的辅助因子，而且只有古细菌中的成员有应急诱导性 ； 2) 应激蛋白70 家族(Stress-70 family) 又称为热休克蛋白 70 家族（ Hsp70 family ），是一类 分子量约 70Ku 的高度保守的 ATP 酶，广泛地存在于原核 和真核细胞中，包括大肠杆菌胞浆中的 DnaK/ DnaJ ，高等 生物内质网中的 Bip 、 Hsc1 、 Hsc 2 、 Hsc 4 或 hsc70 ， 胞浆中的 Hsp70 、 Hsp68 和 Ssal4p ，线粒体中的 Ssclp 、 Hsp70 等。在细胞应急和非应急条件下的蛋白质代谢， 如蛋白质的从头折叠（ de novo protein folding) 、跨膜运输 、错误折叠多肽的降解及其调控过程中有重要的作用。在体 内， Hsp70 家族成员的主要功能是以 ATP 依赖的方式结合 未折叠多肽链的疏水区以稳定蛋白质的未折叠状态，再通过 有控制的释放帮助其折叠（ Hartl 1996 ）； 3) 应激蛋白90 家族(Stress-90 family) 即热休克蛋白 90 家族（ Hsp90 family ），分子量在 90Ku 左右, Hsp 90 可以与胞浆中的类固醇激素受体结合，封 闭受体的 DNA 结合域，阻碍其对基因转录调控区的激活作用 ，使之保持在天然的非活性状态，但 hsp90 的结合也使受体 保持着对激素配体的高亲和力。 hsp90 还与 Ras 信号途径中 许多信号分子的折叠与组装密切相关，主要是 hsp90 的结合 与解离，介导了这些分子在非活性形式与活性形式间的转化。 如转化型酪氨酸激酶 pp60v-src 或在一定条件下，从 hsp90 等与之形成的复合物中释放，才能转位至胞膜，行使激酶的活 性功能。 Casein(CKII) 和 el/f-2a 是两种丝氨酸 / 苏氨酸蛋白 激酶，其中 Casein(CKII) 与细胞生长和细胞周期有关， el/f- 2a 激酶则调节蛋白质合成，两者均可与 hsp90 及其他分子伴 侣形成复合物。除 hsp90 以外，其他分子伴侣如 hsp70, PPIs 等都影响了受体分子的激活过程； GroEL 和GroES复合体The structure of E.coli GroEL heat shock protein (hsp). There are 14 subunits of the GroEL. Attached to the apical domain is the GroES. The apical region is also capable of polypeptide binding. The lower region, (circled, bottom) is concerned with ATP binding. GroEL/GroES 复合体的高级结构分子伴侣的功能和作用机制帮助蛋白质折叠和装配帮助蛋白质的转运和定位参与细胞器和细胞核结构的发生应激反应（heat-shock response)参与信号转导帮助蛋白质折叠和装配这是所有分子伴侣家族成员共同的、最重要的功能。驱使蛋白质折叠和组装的主要作用力是蛋白质疏水 (hydrophobic)区域间的疏水作用。蛋白质多肽链在核 糖体上合成时就开始进行折叠。在体内溶液环境中， 肽链形成天然构象或聚集形成不正确的产物；分子伴 侣识别这些未折叠的台联合未组装的亚基，与它们形 成复合物防止错误折叠或聚集成包含体。返回热激反应(heat shock response)模型