GroEL es una proteína que pertenece a la familia de chaperonas moleculares y se encuentra en muchas bacterias. [5] Es necesario para el plegamiento adecuado de muchas proteínas. Para funcionar correctamente, GroEL requiere el complejo proteico cochaperonina similar a una tapa GroES . En eucariotas, las proteínas orgánulos Hsp60 y Hsp10 son estructural y funcionalmente casi idénticas a GroEL y GroES, respectivamente, debido a su origen endosimbiótico.
HSP60 está implicada en la importación de proteínas mitocondriales y el ensamblaje macromolecular. Puede facilitar el plegamiento correcto de proteínas importadas y también puede prevenir el plegamiento incorrecto y promover el replegamiento y el ensamblaje adecuado de polipéptidos desplegados generados en condiciones de estrés en la matriz mitocondrial. HSP60 interactúa con HRAS y con la proteína X del VHB y la proteína p40tax del HTLV-1. HSP60 pertenece a la familia de las chaperoninas (HSP60). Nota: Esta descripción puede incluir información de UniProtKB.
Nombres alternativos: chaperonina de 60 kDa, chaperonina 60, CPN60, proteína de choque térmico 60, HSP-60, HuCHA60, proteína de matriz mitocondrial P1, proteína de linfocitos P60, HSPD1
La proteína de choque térmico 60 (HSP60) es una chaperonina mitocondrial que generalmente se considera responsable del transporte y replegamiento de proteínas desde el citoplasma hacia la matriz mitocondrial . Además de su función como proteína de choque térmico, HSP60 funciona como chaperonina para ayudar a plegar cadenas lineales de aminoácidos en su respectiva estructura tridimensional. A través del extenso estudio de groEL, el homólogo bacteriano de HSP60 , se ha considerado que HSP60 es esencial en la síntesis y transporte de proteínas mitocondriales esenciales desde el citoplasma de la célula a la matriz mitocondrial. Otros estudios han relacionado la HSP60 con la diabetes , la respuesta al estrés , el cáncer y ciertos tipos de trastornos inmunológicos .
No se sabe mucho sobre la función de HSP60. La HSP60 de mamíferos se describió por primera vez como una proteína P1 mitocondrial. Posteriormente fue clonado y secuenciado por Radhey Gupta y sus compañeros de trabajo. [6] La secuencia de aminoácidos mostró una fuerte homología con GroEL. Inicialmente se creía que HSP60 funcionaba sólo en las mitocondrias y que no había una proteína equivalente ubicada en el citoplasma . Descubrimientos recientes han desacreditado esta afirmación y han sugerido que existe una diferencia reconocible entre HSP60 en las mitocondrias y en el citoplasma. [7] Existe una estructura proteica similar en el cloroplasto de ciertas plantas. Esta presencia de proteínas proporciona evidencia de la relación evolutiva del desarrollo de las mitocondrias y el cloroplasto mediante endosimbiosis . [6]
En condiciones fisiológicas normales, HSP60 es un oligómero de 60 kilodalton compuesto de monómeros que forman un complejo dispuesto como dos anillos heptaméricos apilados. [8] Esta estructura de doble anillo forma una gran cavidad central en la que la proteína desplegada se une mediante interacciones hidrofóbicas . [9] Esta estructura suele estar en equilibrio con cada uno de sus componentes individuales: monómeros, heptámeros y tetradecámeros. [10] Estudios recientes han comenzado a sugerir que, además de su ubicación típica en las mitocondrias, HSP60 también se puede encontrar en el citoplasma en condiciones fisiológicas normales. [7]
Cada subunidad de HSP60 tiene tres dominios : el dominio apical, el dominio ecuatorial y el dominio intermedio. [11] El dominio ecuatorial contiene el sitio de unión para ATP y para el otro anillo heptamérico. El dominio intermedio une el dominio ecuatorial y el dominio apical. [11] El dominio intermedio induce un cambio conformacional cuando se une ATP, lo que permite una alternancia entre los sitios de unión del sustrato hidrofílico e hidrofóbico . [11] En su estado inactivo, la proteína se encuentra en un estado hidrofóbico. Cuando es activado por ATP, el dominio intermedio sufre un cambio conformacional que expone la región hidrófila. Esto asegura la fidelidad en la unión a proteínas. [11] La chaperona 10 ayuda a la HSP60 a plegarse actuando como una cubierta en forma de cúpula sobre la forma activa de ATP de la HSP60. Esto hace que la cavidad central se agrande y ayuda al plegamiento de proteínas. [11] Consulte la figura anterior para obtener más detalles sobre la estructura.
La secuencia mitocondrial HSP60 contiene una serie de repeticiones G en el C-terminal . [6] La estructura y función de esta secuencia no se conoce del todo. El N-terminal contiene una presecuencia de aminoácidos hidroxilados , a saber, arginina , lisina , serina y treonina , que sirven como directores para la importación de la proteína a las mitocondrias. [6]
La estructura prevista de HSP60 incluye varias ondas sinusoidales verticales , hélices alfa , láminas beta y giros de 90 grados. Hay regiones de hidrofobicidad donde la proteína presumiblemente atraviesa la membrana . También hay tres sitios de glicosilación ligada a N en las posiciones 104, 230, 436. [9] La secuencia y la estructura secundaria de la proteína mitocondrial se ilustran en la imagen de arriba obtenida del Protein Data Bank.
Información más reciente ha comenzado a sugerir que la HSP60 que se encuentra en las mitocondrias difiere de la del citoplasma. Con respecto a la secuencia de aminoácidos, la HSP60 citoplasmática tiene una secuencia N-terminal que no se encuentra en la proteína mitocondrial. [7] En el análisis de electroforesis en gel , se encontraron diferencias significativas en la migración de HSP60 citoplasmática y mitocondrial. La HSP60 citoplasmática contiene una secuencia señal de 26 aminoácidos en el extremo N. Esta secuencia está muy degenerada y es capaz de plegarse formando una hélice anfifílica. [7] Los anticuerpos contra HSP60 se dirigieron tanto a la forma mitocondrial como a la citoplasmática. [7] Sin embargo, los anticuerpos contra la secuencia señal se dirigieron únicamente a la forma citoplasmática. En condiciones fisiológicas normales, ambos se encuentran en concentraciones relativamente iguales. [7] En momentos de estrés o gran necesidad de HSP60 ya sea en el citoplasma o en las mitocondrias, la célula es capaz de compensar aumentando la presencia de HSP60 en un compartimento y disminuyendo su concentración en el compartimento opuesto.
Las proteínas de choque térmico se encuentran entre las proteínas más conservadas evolutivamente . [10] La importante homología funcional, estructural y secuencial entre HSP60 y su homólogo procariótico, groEL, demuestra este nivel de conservación. Además, la secuencia de aminoácidos de HSP60 tiene similitud con su homólogo en plantas , bacterias y humanos . [13] Las proteínas de choque térmico son las principales responsables de mantener la integridad de las proteínas celulares, particularmente en respuesta a los cambios ambientales. Estreses como la temperatura, el desequilibrio de concentración, el cambio de pH y las toxinas pueden inducir proteínas de choque térmico para mantener la conformación de las proteínas de la célula. HSP60 ayuda en el plegamiento y mantenimiento de la conformación de aproximadamente el 15-30% de todas las proteínas celulares. [11] Además del papel típico de HSP60 como proteína de choque térmico, los estudios han demostrado que HSP60 desempeña un papel importante en el transporte y mantenimiento de proteínas mitocondriales, así como en la transmisión y replicación del ADN mitocondrial .
HSP60 posee dos responsabilidades principales con respecto al transporte de proteínas mitocondriales. Su función es catalizar el plegamiento de proteínas destinadas a la matriz y mantiene la proteína en un estado desplegado para su transporte a través de la membrana interna de la mitocondria. [14] Muchas proteínas son objeto de procesamiento en la matriz de las mitocondrias, pero luego se exportan rápidamente a otras partes de la célula. La porción hidrofóbica HSP60 es responsable de mantener la conformación desplegada de la proteína para el transporte transmembrana. [14] Los estudios han demostrado cómo HSP60 se une a las proteínas entrantes e induce cambios conformacionales y estructurales. Los cambios posteriores en las concentraciones de ATP hidrolizan los enlaces entre la proteína y la HSP60, lo que le indica a la proteína que salga de las mitocondrias. [14] HSP60 también es capaz de distinguir entre proteínas designadas para exportación y proteínas destinadas a permanecer en la matriz mitocondrial buscando una hélice alfa anfifílica de 15 a 20 residuos. [14] La existencia de esta secuencia indica que la proteína debe exportarse, mientras que la ausencia indica que la proteína debe permanecer en las mitocondrias. El mecanismo preciso aún no se comprende del todo.
Además de su papel fundamental en el plegamiento de proteínas, HSP60 participa en la replicación y transmisión del ADN mitocondrial . En estudios extensos de la actividad de HSP60 en Saccharomyces cerevisiae , los científicos han propuesto que HSP60 se une preferentemente a la cadena de ADN plantilla monocatenaria en un complejo tipo tetradecámero [15]. Este complejo de tetradecámero interactúa con otros elementos transcripcionales para servir como mecanismo regulador para la replicación y transmisión del ADN mitocondrial. Los estudios mutagénicos han respaldado aún más la participación reguladora de HSP60 en la replicación y transmisión del ADN mitocondrial. [16] Las mutaciones en HSP60 aumentan los niveles de ADN mitocondrial y provocan defectos de transmisión posteriores.
Además de las diferencias estructurales ya ilustradas entre la HSP60 citoplasmática y mitocondrial, existen marcadas diferencias funcionales. Los estudios han sugerido que HSP60 desempeña un papel clave en la prevención de la apoptosis en el citoplasma. La HSP60 citoplasmática forma un complejo con proteínas responsables de la apoptosis y regula la actividad de estas proteínas. [7] La versión citoplasmática también participa en la respuesta inmune y el cáncer . [7] Estos dos aspectos se desarrollarán más adelante. Investigaciones extremadamente recientes han comenzado a sugerir una correlación regulatoria entre HSP60 y la enzima glicolítica , 6- fosfofructoquinasa-1 . Aunque no hay mucha información disponible, las concentraciones citoplasmáticas de HSP60 han influido en la expresión de 6-fosfofructocinasa en la glucólisis . [17] A pesar de estas marcadas diferencias entre la forma citoplasmática y mitocondrial, el análisis experimental ha demostrado que la célula es rápidamente capaz de mover HSP60 citoplasmática hacia las mitocondrias si las condiciones ambientales exigen una mayor presencia de HSP60 mitocondrial. [7]
HSP60 se encuentra típicamente en las mitocondrias y se ha encontrado en orgánulos de origen endosimbiótico. Los monómeros HSP60 forman dos anillos heptaméricos que se unen a la superficie de proteínas lineales y catalizan su plegamiento en un proceso dependiente de ATP. [18] Las subunidades HSP60 están codificadas por genes nucleares y traducidas al citosol. Estas subunidades luego pasan a las mitocondrias, donde son procesadas por otras moléculas de HSP60. [9] Varios estudios han demostrado cómo las proteínas HSP60 deben estar presentes en las mitocondrias para la síntesis y ensamblaje de componentes HSP60 adicionales. [9] Existe una correlación positiva directa entre la presencia de proteínas HSP60 en las mitocondrias y la producción de complejos de proteínas HSP60 adicionales.
La cinética de ensamblaje de las subunidades de HSP60 en los anillos 2-heptaméricos tarda dos minutos. La subsiguiente HSP60 resistente a proteasas se forma en un tiempo medio de 5 a 10 minutos. [9] Esta rápida síntesis indica que existe una interacción dependiente de ATP donde el complejo HSP60 formado estabiliza el intermedio del complejo de ensamblaje HSP60, sirviendo efectivamente como catalizador. [9] La necesidad de una HSP60 preexistente para sintetizar moléculas de HSP60 adicionales respalda la teoría endosimbiótica del origen de las mitocondrias . Debe haber habido una proteína homóloga procariótica rudimentaria que fuera capaz de un autoensamblaje similar.
Como se mencionó anteriormente, la HSP60 se conoce generalmente como una chaperonina que ayuda al plegamiento de proteínas en las mitocondrias. Sin embargo, algunas investigaciones nuevas han indicado que HSP60 posiblemente desempeñe un papel en una respuesta inmune de “cascada de señales de peligro” . [19] También existe cada vez más evidencia de que desempeña un papel en las enfermedades autoinmunes .
Las infecciones y enfermedades son extremadamente estresantes para la célula. Cuando una célula está bajo estrés, naturalmente aumenta la producción de proteínas del estrés, incluidas las proteínas de choque térmico como la HSP60. Para que HSP60 actúe como señal, debe estar presente en el entorno extracelular . En investigaciones recientes “se ha descubierto que… la chaperonina 60 se puede encontrar en la superficie de varias células procariotas y eucariotas , e incluso puede liberarse de las células”. [11] Según investigaciones recientes, se utilizan muchos tipos diferentes de proteínas de choque térmico en la señalización de la respuesta inmune , pero parece que diferentes proteínas actúan y responden de manera diferente a otras moléculas de señalización. Se ha demostrado que HSP60 se libera de células específicas como las células mononucleares de sangre periférica (PBMC) cuando hay lipopolisacáridos (LPS) o GroEL presentes. Esto sugiere que la célula tiene diferentes receptores y respuestas a la HSP60 humana y bacteriana. [19] Además, se ha demostrado que HSP60 tiene la capacidad "de activar monocitos , macrófagos y células dendríticas ... y también de inducir la secreción de una amplia gama de citoquinas ". [19] El hecho de que HSP60 responda a otras moléculas de señal como LPS o GroEL y tenga la capacidad de activar ciertos tipos de células respalda la idea de que HSP60 es parte de una cascada de señales de peligro que participa en la activación de una respuesta inmune.
Sin embargo, existe un giro en el papel inmunológico de HSP60. Como se mencionó anteriormente, existen dos tipos diferentes de proteínas HSP60, tanto bacterianas como de mamíferos. Dado que son muy similares en secuencia, no se esperaría que la HSP60 bacteriana causara una gran respuesta inmune en humanos. El sistema inmunológico está “diseñado para ignorar lo 'propio', es decir, los constituyentes del huésped; sin embargo, paradójicamente, este no es el caso de las chaperoninas”. [11] Se ha descubierto que existen muchos anticuerpos anti-chaperoninas y están asociados con muchas enfermedades autoinmunes. Según Ranford, et al. Se han realizado experimentos que han demostrado que los anticuerpos que son “generados por un huésped humano después de la exposición a las proteínas chaperonina 60 bacterianas” pueden reaccionar de forma cruzada con las proteínas chaperonina 60 humanas. [11] La HSP60 bacteriana está provocando que el sistema inmunológico cree anticuerpos anti-chaperonina, a pesar de que la HSP60 bacteriana y humana tienen secuencias de proteínas similares. Luego, estos nuevos anticuerpos reconocen y atacan la HSP60 humana, que causa una enfermedad autoinmune. Esto sugiere que HSP60 puede desempeñar un papel en la autoinmunidad ; sin embargo, es necesario realizar más investigaciones para descubrir más completamente su papel en esta enfermedad.
Se ha demostrado que la HSP60, como proteína mitocondrial, también participa en la respuesta al estrés. La respuesta al choque térmico es un mecanismo homeostático que protege a una célula del daño al regular positivamente la expresión de genes que codifican HSP60. [20] La regulación positiva de la producción de HSP60 permite el mantenimiento de otros procesos celulares que ocurren en la célula, especialmente durante momentos de estrés. En un experimento, los investigadores trataron a varios ratones con L-DOPA y descubrieron una regulación positiva significativa de la expresión de HSP60 en las mitocondrias y de la expresión de HSP70 en el citoplasma. Los investigadores concluyeron que la vía de la señal de choque térmico sirve como "el mecanismo básico de defensa contra la neurotoxicidad provocada por especies de radicales libres de oxígeno y nitrógeno producidos en el envejecimiento y los trastornos neurodegenerativos". [21] Varios estudios han demostrado que la HSP60 y otras proteínas de choque térmico son necesarias para la supervivencia celular en circunstancias tóxicas o estresantes. [22]
La Hsp60 humana, producto del gen HSPD1, es una chaperonina mitocondrial del grupo I, filogenéticamente relacionada con la bacteria GroEL. Recientemente, se ha informado de la presencia de Hsp60 fuera de las mitocondrias y fuera de las células, por ejemplo en la sangre circulante [1], [2]. Aunque se supone que la molécula extramitocondrial Hsp60 es idéntica a la mitocondrial, esto aún no se ha dilucidado por completo. A pesar de la creciente cantidad de evidencias experimentales que muestran Hsp60 fuera de la célula, aún no está claro qué tan general es este proceso y cuáles son los mecanismos responsables de la translocación de Hsp60 fuera de la célula. Ninguna de estas preguntas ha sido respondida definitivamente, mientras que existe cierta información sobre la Hsp70 extracelular. Esta chaperona también se consideraba clásicamente una proteína intracelular como la Hsp60, pero en los últimos años considerables evidencias han demostrado su residencia pericelular y extracelular.
Se ha demostrado que HSP60 influye en la apoptosis en células tumorales , lo que parece estar asociado con un cambio en los niveles de expresión. Existe cierta inconsistencia en el hecho de que algunas investigaciones muestran una expresión positiva mientras que otras muestran una expresión negativa, y parece depender del tipo de cáncer. Existen diferentes hipótesis para explicar los efectos de la expresión positiva frente a la negativa. La expresión positiva parece inhibir la " muerte celular apoptótica y necrótica ", mientras que se cree que la expresión negativa desempeña un papel "en la activación de la apoptosis". [23] [24]
Además de influir en la apoptosis, se ha demostrado que los cambios en el nivel de expresión de HSP60 son "nuevos biomarcadores útiles con fines de diagnóstico y pronóstico". [23] Según Lebret et al., una pérdida de la expresión de HSP60 "indica un mal pronóstico y el riesgo de desarrollar infiltración tumoral" específicamente en los carcinomas de vejiga , pero eso no es necesariamente cierto para otros tipos de cánceres. [25] Por ejemplo, la investigación sobre tumores de ovario ha demostrado que la sobreexpresión se correlaciona con un mejor pronóstico, mientras que una disminución de la expresión se correlaciona con un tumor agresivo. [25] Toda esta investigación indica que es posible que la expresión de HSP60 se utilice para predecir la supervivencia de ciertos tipos de cáncer y, por lo tanto, puede identificar pacientes que podrían beneficiarse de ciertos tratamientos. [24]
Dentro de la célula, el proceso de plegamiento de proteínas mediado por GroEL/ES implica múltiples rondas de unión, encapsulación y liberación de proteína sustrato. Las proteínas del sustrato desplegadas se unen a un parche de unión hidrófobo en el borde interior de la cavidad abierta de GroEL, formando un complejo binario con la chaperonina. La unión de la proteína sustrato de esta manera, además de la unión de ATP , induce un cambio conformacional que permite la asociación del complejo binario con una estructura de tapa separada, GroES . La unión de GroES a la cavidad abierta de la chaperonina induce a las subunidades individuales de la chaperonina a girar de manera que el sitio de unión del sustrato hidrófobo se elimine del interior de la cavidad, lo que provoca que la proteína del sustrato sea expulsada del borde hacia el ahora en gran medida hidrófilo. cámara. El ambiente hidrofílico de la cámara favorece el enterramiento de residuos hidrofóbicos del sustrato, induciendo el plegamiento del sustrato. La hidrólisis del ATP y la unión de una nueva proteína sustrato a la cavidad opuesta envía una señal alostérica que hace que GroES y la proteína encapsulada se liberen al citosol . Una proteína determinada se someterá a múltiples rondas de plegamiento, volviendo cada vez a su estado desplegado original, hasta que se logre la conformación nativa o una estructura intermedia comprometida a alcanzar el estado nativo. Alternativamente, el sustrato puede sucumbir a una reacción competitiva, como un plegamiento incorrecto y agregación con otras proteínas mal plegadas. [26]
La naturaleza estrecha del interior del complejo molecular favorece fuertemente las conformaciones moleculares compactas de la proteína sustrato. Las interacciones libres en solución, de largo alcance y no polares sólo pueden ocurrir a un alto costo en entropía . En los espacios reducidos del complejo GroEL, la pérdida relativa de entropía es mucho menor. El método de captura también tiende a concentrar los sitios de unión no polares por separado de los sitios polares. Cuando se eliminan las superficies no polares de GroEL, la posibilidad de que cualquier grupo no polar determinado encuentre un sitio intramolecular no polar es mucho mayor que en la solución a granel. Los sitios hidrofóbicos que estaban en el exterior se reúnen en la parte superior del dominio cis y se unen entre sí. La geometría de GroEL requiere que las estructuras polares conduzcan y envuelvan el núcleo no polar cuando emerge del lado trans .
Estructuralmente, GroEL es un tetradecámero de doble anillo, con anillos cis y trans que constan de siete subunidades cada uno. Los cambios conformacionales que ocurren dentro de la cavidad central de GroEL hacen que el interior de GroEL se vuelva hidrofílico, en lugar de hidrofóbico, y es probablemente lo que facilita el plegamiento de proteínas.
La clave de la actividad de GroEL está en la estructura del monómero. El monómero Hsp60 tiene tres secciones distintas separadas por dos regiones bisagra. La sección apical contiene muchos sitios de unión hidrófobos para sustratos proteicos desplegados . Muchas proteínas globulares no se unirán al dominio apical porque sus partes hidrofóbicas están agrupadas en el interior, lejos del medio acuoso, ya que esta es la conformación termodinámicamente óptima. Por lo tanto, estos "sitios de sustrato" sólo se unirán a proteínas que no estén plegadas de manera óptima. El dominio apical también tiene sitios de unión para los monómeros Hsp10 de GroES.
El dominio ecuatorial tiene una ranura cerca del punto de articulación para unir ATP , así como dos puntos de unión para la otra mitad de la molécula GroEL. El resto de la sección ecuatorial es moderadamente hidrófilo.
La adición de ATP y GroES tiene un efecto drástico en la conformación del dominio cis . Este efecto es causado por la flexión y rotación en los dos puntos de articulación de los monómeros Hsp60. El dominio intermedio se pliega hacia abajo y hacia adentro unos 25° en la bisagra inferior. Este efecto, multiplicado mediante la flexión cooperativa de todos los monómeros, aumenta el diámetro ecuatorial de la jaula GroEL. Pero el dominio apical gira 60° completos hacia arriba y hacia afuera en la bisagra superior, y también gira 90° alrededor del eje de la bisagra. Este movimiento abre mucho la jaula en la parte superior del dominio cis , pero elimina por completo los sitios de unión del sustrato del interior de la jaula.
Se ha demostrado que GroEL interactúa con GroES , [27] [28] ALDH2 , [28] Caspasa 3 [27] [29] y dihidrofolato reductasa . [30]
Los genes del bacteriófago (fago) T4 que codifican proteínas con un papel en la determinación de la estructura del fago T4 se identificaron utilizando mutantes letales condicionales . [31] La mayoría de estas proteínas demostraron ser componentes estructurales mayores o menores de la partícula del fago completada. Sin embargo, entre los productos genéticos (gps) necesarios para el ensamblaje de fagos, Snustad [32] identificó un grupo de gps que actúan catalíticamente en lugar de incorporarse ellos mismos a la estructura del fago. Estos gps catalíticos incluían gp31. La bacteria E. coli es el huésped del fago T4, y la proteína gp31 codificada por el fago parece ser funcionalmente homóloga a la proteína chaparona de E. coli GroES y capaz de sustituirla en el ensamblaje de los viriones del fago T4 durante la infección. [5] La función de la proteína gp31 codificada por el fago parece ser interactuar con la proteína GroEL codificada por el huésped de E. coli para ayudar en el plegamiento y ensamblaje correctos de la proteína principal de la cápside del fago, gp23. [5]