分子伴侣Hsp70对折叠客户蛋白动力学性质及功能的影响

Chaperones are crucial for cellular life to ensure that all proteins obtain their right fold and functionality. The promiscuous property of chaperones enables them to bind with a wide spectrum of client proteins from nascent proteins to native proteins. While mechanisms of chaperones aiding protein folding have been intensively characterized, it is still largely unknown how chaperones act on folded clients. In particular, the Hsp70/Hsp90 chaperone machinery interacts with the majority of cellular kinases, and lots of transcription factors in cells. The effect of massively increased chaperone expression when cells are in stressed conditions is not understood. Our previous study revealed chaperones alter the dynamics of its folded client Im7. These changes in dynamics are expected to have a significant entropic effect on molecular recognition and binding. Here, I plan to extend my research to a system of the eukaryotic chaperone Hsp70 and its client folded human telomeric repeat-binding factor (hTRF1) to explore if the regulation of client activity is a general principle for eukaryotic chaperones. This study will be a pioneering work on characterizing the biophysical effect of chaperones on native proteins. The expected results will shed a light on a new aspect of chaperone function on modulation of activities of folded client proteins.

分子伴侣可以非特异地结合多种客户蛋白包括新生的肽链及已经折叠的蛋白来维持细胞中蛋白质的稳态。过往对分子伴侣的研究集中在探索其辅助新生肽链折叠、转运及阻止聚集的机制中并取得了长足的进展。但是分子伴侣与折叠客户蛋白相互作用的机制及意义仍不清晰。如Hsp70/90分子伴侣系统与细胞内大量的转录因子、激酶相互作用。在应激状态下表达大幅升高的分子伴侣对细胞内折叠客户蛋白本身及其参与的其他互作的影响与机制尚不清楚。我们之前的研究表明，分子伴侣可以改变折叠客户蛋白的动力学性质，而动力学性质的改变将影响客户蛋白参与的其他分子识别、结合的熵。因此我们拟利用核磁共振技术对分子伴侣Hsp70及其客户蛋白人端粒重复结合因子进行研究，以探索分子伴侣对折叠客户蛋白动力学性质及活性影响的机制。这项研究是探索分子伴侣对折叠客户蛋白影响的前沿工作，将揭示分子伴侣新的可调节折叠客户蛋白活性的作用及机制。

分子伴侣作为一类具有广泛非特异互作特性的生物大分子，通过辅助底物蛋白质在正确的位置形成正确的构象维持蛋白质的稳态。然而分子伴侣-底物蛋白互作体系的高度动态性增加了其研究难度。多年来人们对分子伴侣的研究几乎集中理解分子伴侣如何辅助新生多肽折叠、避免蛋白质错误聚集和帮助蛋白质正确组装，但是分子伴侣与折叠客户蛋白相互作用的机制及意义仍不清晰。胞外环境中缺乏新生肽链的合成环境，因此，解析胞外分子伴侣与底物蛋白的相互作用与分子机制是理解分子伴侣如何调控折叠客户蛋白的动态、构象及功能的理想模型。通过核磁共振波谱学，我们对具有分子伴侣功能血清白蛋白及Hsp70 A8同时进行了研究，阐明了如下共性的分子伴侣调控客户蛋白动态及功能的机制：1). 分子伴侣通过扁平化底物蛋白的折叠自由能能势，改变了底物蛋白不同构象间化学平衡，使处在基态的底物蛋白更有机会跃迁到更高能级，促进了各构象间的交流，也使得因外界环境压力造成错误折叠构象占能量优势的底物蛋白更有机会交换到正确折叠的构象上。2). 其次，底物蛋白的激发态构象在其生理活动中发挥重要的作用，分子伴侣则通过扁平化底物蛋白的折叠自由能能势，改变底物蛋白基态与激发态的比例，进而调控底物蛋白与下游结合蛋白的活性。