GrpE ( proteína E similar a Gro-P ) es un factor de intercambio de nucleótidos bacteriano que es importante para la regulación de la maquinaria de plegamiento de proteínas , así como la respuesta al choque térmico . [1] Es una proteína inducible por calor y durante el estrés evita que las proteínas desplegadas se acumulen en el citoplasma . [2] [3] La acumulación de proteínas desplegadas en el citoplasma puede provocar la muerte celular. [4]
GrpE es un factor de intercambio de nucleótidos que fue descubierto por primera vez por investigadores en 1977 como una proteína necesaria para propagar el bacteriófago λ , un virus que infecta a las bacterias secuestrando la maquinaria de replicación de las bacterias, [5] en Escherichia coli . [6] Mediante el uso de un análisis genético, los investigadores eliminaron ciertos genes en E. coli y luego probaron si la bacteria era capaz de replicarse. Se descubrió que GrpE era crucial para la propagación. Desde entonces, GrpE se ha identificado en todas las bacterias y en Archaea donde están presentes DnaK y DnaJ . [7]
La estructura cristalina de GrpE se determinó en 1997 a 2,8 Angstrom y se identificó a GrpE como un homodímero que se une a DnaK, una proteína de choque térmico involucrada en el plegamiento de proteínas de novo . [8] La determinación de la estructura de GrpE fue importante porque demostró la interacción de los factores de intercambio de nucleótidos en el dominio de unión de nucleótidos de DnaK. [9]
El homodímero GrpE tiene tres dominios distintos:
La unión de la lámina β proximal de GrpE al dominio IIB de DnaK provoca una rotación de 14° hacia afuera de la hendidura de unión del nucleótido, lo que altera la unión de tres cadenas laterales a los anillos de adenina y ribosa del nucleótido. Este cambio conformacional cambia la conformación de DnaK de cerrada a abierta y permite la liberación de ADP de la hendidura de unión. [12]
Los factores de intercambio de nucleótidos son proteínas que catalizan la liberación de difosfato de adenosina (ADP) para facilitar la unión del trifosfato de adenosina (ATP). El ATP tiene tres grupos fosfato y la eliminación de uno de los grupos fosfato libera energía que se utiliza para impulsar una reacción. Esta eliminación de un grupo fosfato reduce el ATP a ADP. [13] GrpE es un factor de intercambio de nucleótidos que provoca la liberación de ADP unido de DnaK, una proteína de choque térmico importante en el plegamiento de proteínas de novo . DnaK, en su conformación abierta, se une al ATP con baja afinidad y tiene una tasa de intercambio rápida para las proteínas desplegadas. Una vez que DnaJ, una co-chaperona, lleva una proteína desplegada a DnaK, el ATP se hidroliza a ADP para facilitar el plegamiento de la proteína. En este punto, el complejo DnaK•ADP está en una conformación estable y requiere que GrpE se una a DnaK, cambie su conformación y libere ADP del dominio ATPasa N-terminal de DnaK. Una vez que se libera el ADP, el ciclo puede continuar. [11] [10]
La interacción entre GrpE y la hendidura de unión de nucleótidos de DnaK es fuerte con una K d entre 1 nM (evaluada durante la conformación activa utilizando cinética transitoria ) y una K d de 30 nM (basada en la conformación inactiva a través de resonancia de plasmón superficial ). [3] Esta baja constante de disociación indica que GrpE se une fácilmente a DnaK. [16] La unión de GrpE a DnaK•ADP reduce en gran medida la afinidad de ADP por DnaK en 200 veces y acelera la tasa de liberación de nucleótidos en 5000 veces. Este proceso facilita el plegamiento de novo de la proteína desplegada por DnaK. [3] [11]
GrpE también tiene un papel importante en la liberación del sustrato de DnaK. [3] La región N-terminal desordenada de GrpE compite por unirse a la hendidura de unión del sustrato de DnaK. Los investigadores mutaron GrpE para identificar la función de sus dominios estructurales. GrpE mutado, sin su dominio N-terminal desordenado, aún puede unirse a la hendidura de unión de nucleótidos de DnaK e inducir un cambio conformacional; sin embargo, el sustrato no se liberará. [9]
GrpE es un factor de intercambio de nucleótidos para DnaK, una proteína de choque térmico, su actividad se regula a la baja con el aumento de la temperatura. [2] En biología, el desdoblamiento reversible de las hélices α comienza a 35 °C con un punto medio T m de 50 °C, este desdoblamiento afecta la integridad estructural de GrpE y evita la unión de GrpE a la hendidura de unión de nucleótidos de DnaK Esto tiene un papel fisiológico importante para limitar el ciclo del sustrato y el posterior gasto de ATP durante el estrés térmico. La regulación térmica de DnaK ralentiza el plegamiento de proteínas y evita que las proteínas desdobladas se acumulen en el citoplasma a altas temperaturas. [3] [11] [10]
GrpE se identificó por primera vez por su papel en la replicación del fago λ. [6] GrpE que ha sido mutado para que no sea funcional previene la replicación del fago λ in vivo y disminuye en gran medida la replicación in vitro . La sobreexpresión in vitro de DnaK puede recuperar la replicación del fago λ sin GrpE. El papel fundamental de GrpE en la replicación del fago λ es que está en el origen de la replicación, después del ensamblaje de DnaB y otros factores de replicación, GrpE facilita el desenrollado bidireccional del ADN a través de la interacción con DnaK. [17]
En el genoma de Archaea , el gen de GrpE se encuentra aguas arriba del gen de DnaK, que a su vez se encuentra aguas arriba del gen de DnaJ. De estas tres proteínas, solo la región promotora de GrpE tiene una caja de unión TATA completa y un sitio de unión termosensible aguas arriba. Esto sugiere que, en Archaea, estos tres genes se transcriben al mismo tiempo. [7]
En E. coli, la transcripción de GrpE está regulada por la unión de la subunidad específica de choque térmico de la ARN polimerasa , σ 32 . [18] En condiciones fisiológicas, σ 32 se mantiene en niveles bajos a través de la inactivación mediante la interacción con DnaK y DnaJ, luego la degradación posterior por proteasas . Sin embargo, durante el choque térmico, estas proteínas no pueden interactuar con σ 32 y dirigirlo para su degradación. Por lo tanto, durante el choque térmico, σ 32 se une a la región promotora de las proteínas de choque térmico y causa una rápida inducción de estos genes. [19]
En Saccharomyces cerevisiae , el homólogo de GrpE, Mge1, se encuentra en las mitocondrias . [20] Mge1 es un factor de intercambio de nucleótidos importante para transportar proteínas a través de las membranas mitocondriales y, en el plegamiento de proteínas, interactúa con un homólogo de levadura de DnaK. Mge1 tiene un papel similar como termosensor. [20] La levadura tiene homólogos de GrpE adicionales, incluidos Sil1p y Fes1p. [21] En los humanos, los orgánulos mitocondriales tienen proteína similar a GrpE 1 (GRPEL1). [22]
En las células eucariotas, existen muchos homólogos eucariotas adicionales de GrpE. [21] Los miembros de la familia BAG, específicamente BAG1 , son los principales factores de intercambio de nucleótidos para la proteína de choque térmico de 70 kDa (Hsp70), que es el equivalente eucariota de DnaK. Otros factores de intercambio de nucleótidos que interactúan con las proteínas de choque térmico en eucariotas incluyen Sse1p, Sil1p, Hip y HspBP1 . [2] [21] Estos factores de intercambio de nucleótidos eucariotas son todos inducibles por choque térmico, lo que significa que cumplen una función similar a la de GrpE, para proteger a la célula de la agregación de proteínas desplegadas. Estos factores de intercambio de nucleótidos siempre interactúan con el subdominio IIB de la hendidura de unión de nucleótidos de sus respectivas proteínas de choque térmico. La unión del factor de intercambio de nucleótidos a una hendidura de unión de nucleótidos y el cambio a una conformación abierta se conserva entre procariotas y eucariotas. [2] [23]
En las plantas, los homólogos de GrpE, CGE1 y CGE2, se encuentran en los cloroplastos . CGE1 tiene dos isoformas de empalme que difieren en 6 aminoácidos en el extremo N-terminal, siendo la isoforma CGE1b 6 nucleótidos más larga que CGE1a. Este dominio N-terminal es importante en la liberación del sustrato a través de la unión competitiva a la proteína de choque térmico. Todos estos factores de intercambio de nucleótidos de las plantas interactúan directamente con el cpHsc70, el homólogo vegetal de DnaK. Son inducibles por calor, sin embargo, a 43 °C, no son tan eficaces como GrpE para proteger a la célula de la acumulación de proteína desplegada. [24] [25] [26]
Los enterococos son bacterias que se encuentran comúnmente en el tracto gastrointestinal de los animales, incluidos los humanos. [27] Estas bacterias pueden formar una biopelícula , que es una capa de bacterias adherida a una superficie. [28] [27] La biopelícula enterocócica es frecuente en entornos hospitalarios y quirúrgicos, es responsable del 25% de las infecciones relacionadas con catéteres, [27] se encuentra en el 50% de los dientes obturados con raíz con periodontitis apical , [28] y se puede aislar de otras heridas. [27] GrpE se encuentra en el genoma de Enterococcus faecilis y Enterococcus faecium y es fundamental para la adhesión de la biopelícula enterocócica a los tubos de poliestireno , [29] un polímero plástico comúnmente utilizado en entornos hospitalarios. [30]
El Streptococcus pyogenes del grupo A es una bacteria que puede provocar infecciones comunes, como faringitis estreptocócica e impétigo , pero también es responsable de infecciones potencialmente mortales. [31] [32] Durante la infección, GrpE ayuda a las bacterias estreptococos a adherirse a las células epiteliales faríngeas . [32] GrpE en Streptococcus se une a proteínas endógenas ricas en prolina en la saliva, lo que permite la adhesión de las bacterias al huésped. [32]
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