Molecular Cell：首次揭示Hsp70-Hsp40分子伴侣复合物的完整结构

分子伴侣复合物通过与错误折叠的蛋白质结合，为其提供重新正确折叠的机会。这一过程对细胞至关重要，因为错误折叠的蛋白质容易聚集，进而引发多种疾病。然而，两种主要的分子伴侣（Hsp40和Hsp70）如何组装成功能性复合物的机制仍不明确。

近日，圣裘德儿童研究医院和南京大学等机构的研究人员首次发布了Hsp70-Hsp40分子伴侣复合物的完整结构，并揭示了调控其功能的重要结构区域。这项研究成果于10月14日发表在《Molecular Cell》杂志上。

通讯作者、圣裘德儿童研究医院的Charalampos Babis Kalodimos博士称：“热休克伴侣蛋白是抵御蛋白质错误折叠和聚集的第一道防线。我们展示了这两种热休克伴侣蛋白如何相互作用，揭示了一组此前未知的协同作用机制，以及它们如何发生功能障碍。”

热休克伴侣蛋白对大多数生物体至关重要，从细菌到人类都存在类似的蛋白。数十年来，人们对细菌的Hsp40和Hsp70进行了深入研究，发现它们能够帮助错误折叠的蛋白质重新正确折叠。

这些蛋白质的人类版本也与多种疾病有关。然而，Hsp40和Hsp70究竟如何与客户蛋白结合以及彼此结合仍不清楚，因为此前无人能够突破技术障碍来捕获其庞大的全长结构。 

研究人员没有采用单一方法，而是结合了低温电子显微镜、核磁共振成像和X射线晶体学数据，最终解析了该细菌复合物的结构。他们捕获了该复合物的多种结构形式，包括几种不同状态下Hsp70二聚体与Hsp40二聚体的相互作用。

“最关键的是，我们成功捕获了活性状态和抑制状态的全长结构，”Kalodimos指出。“同时我们还解析了多个较小的片段。通过组装这些片段，我们构建出Hsp40和Hsp70复合物如何发挥作用的新模型。”

Hsp40特定区域的突变与一系列疾病相关，包括许多神经退行性疾病，但这些突变如何破坏正常功能尚不清楚。该区域富含高度保守的氨基酸，即甘氨酸和苯丙氨酸，但其确切功能仍不明。

结构分析显示，Hsp40的该区域先与客户蛋白结合，随后特定的苯丙氨酸残基与Hsp70上的底物结合位点结合。该残基将错误折叠的蛋白质拉入底物结合位点以取代自身，但Hsp40的其余部分仍与Hsp70结合。交接完成后，Hsp70对错误折叠的肽段进行解折叠。

Kalodimos解释说：“我们首先揭示了交接机制，Hsp40将苯丙氨酸塞入结合口袋，再将客户蛋白交给Hsp70，Hsp70随后将客户蛋白转移到同一结合位点。然后，通过获得该复合物在多种状态下的结构，我们还观察到该复合物如何释放客户蛋白。”

科学家们发现，当ATP与Hsp70结合时，Hsp70会改变形状，将苯丙氨酸推回结合口袋，进而将客户蛋白推出并释放到细胞内。之后，Hsp40离开Hsp70，然后与另一个错误折叠的蛋白质结合，再次启动这一过程。

“我们现在从机制层面理解了分子伴侣与客户蛋白如何形成这个庞大的复合物，它们如何被释放，以及如何在这些状态之间循环，”Kalodimos谈道。“利用这些知识，我们开始寻找治疗干预措施以补偿致病突变，或为新一代抗生素的开发提供灵感。”