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GrpE（Gro-P様タンパク質E）は細菌の ヌクレオチド交換因子であり、タンパク質折り畳み機構の調節や熱ショック応答に重要である。[1]これは熱誘導性タンパク質であり、ストレス時には折り畳まれていないタンパク質が細胞質 に蓄積するのを防ぐ。[2] [3]細胞質内の折り畳まれていないタンパク質の蓄積は細胞死につながる可能性がある。[4]
| GrpE タンパク質 | |||||||||
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 DnaK の ATPase 結合部位と相互作用する GrpE ホモ二量体の結晶構造 (2.8 オングストロームで分解)。 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | グループE | ||||||||
| パム | PF01025 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| プロサイト | PS01071 | ||||||||
| SCOP2 | 1dkg / スコープ / SUPFAM | ||||||||
| 医療機器 | cd00446 | ||||||||
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発見
GrpEはヌクレオチド交換因子であり、1977年に研究者によって大腸菌[5]で細菌の複製機構を乗っ取って細菌に感染するウイルスであるバクテリオファージλを増殖させるために必要なタンパク質として初めて発見されました。[6]遺伝子スクリーニングを使用して、研究者は大腸菌の特定の遺伝子をノックアウトし、細菌が複製できるかどうかをテストしました。その結果、GrpEが増殖に不可欠であることがわかりました。それ以来、GrpEはすべての細菌と、 DnaKとDnaJが存在する古細菌で特定されています。[7]
GrpEの結晶構造は1997年に2.8オングストロームで決定され、GrpEはタンパク質の新規折り畳みに関与する熱ショックタンパク質であるDnaKに結合するホモ二量体であることが判明した。[8] GrpEの構造決定は、DnaKのヌクレオチド結合ドメインにおけるヌクレオチド交換因子の相互作用を実証したため重要であった。[9]
構造
機能ドメイン
GrpE ホモ二量体には3 つの異なるドメインがあります。
- N末端無秩序領域 — N末端ドメインのアミノ酸1～33は、DnaKの基質結合溝への結合を競合する可能性があります。[9]アミノ酸34～39は、結晶化するには無秩序すぎるか構造化されていないため、可視化されていません。[2]
- αヘリックス— 4つのαヘリックスがあり、2つは短く、2つは長く、これらは茎状で互いに平行です。これらのヘリックスは一緒になってヘリックス束を形成しますが、これらのヘリックス内の疎水性残基のヘプタド-ヘンデカド（7-11-7-11）間隔のため、超ヘリックス状のねじれはありません。[3]このヘリックス束の一部は、DnaKのドメインIIBに結合できます。これらのヘリックスは温度センサーとしても機能します。[10] [11]
- C末端 βシート— ヘリックスから腕のように突き出ているコンパクトなβシートが2つあります。DnaKの近位にあるβシートは、そのATP結合溝に直接相互作用し、溝に挿入されてドメインIIBの構造変化を引き起こし、ADPの放出を引き起こします。[12]遠位のβシートはDnaKと相互作用しません。[2] [3]
結合により構造変化が誘発される
GrpEの近位βシートがDnaKのドメインIIBに結合すると、ヌクレオチド結合溝が14°外側に回転し、ヌクレオチドのアデニン環とリボース環への3つの側鎖の結合が阻害される。この構造変化により、DnaKは閉じた構造から開いた構造に変化し、結合溝からADPが放出される。[12]
関数
ヌクレオチド交換因子
ヌクレオチド交換因子は、アデノシン二リン酸（ADP） の遊離を触媒してアデノシン三リン酸（ATP）の結合を促進するタンパク質である。ATPには3つのリン酸基があり、リン酸基の1つが除去されるとエネルギーが放出され、これが反応の燃料として使用される。このリン酸基の除去により、ATPがADPに還元される。[13] GrpEは、 de novoタンパク質フォールディングに重要な熱ショックタンパク質であるDnaKから結合したADPの遊離を引き起こすヌクレオチド交換因子である。開いた構造のDnaKは、低い親和性でATPに結合し、折り畳まれていないタンパク質の交換速度が速い。コシャペロンのDnaJが折り畳まれていないタンパク質をDnaKに運ぶと、ATPはADPに加水分解され、タンパク質の折り畳みを促進します。この時点で、DnaK•ADP複合体は安定した構造になっており、GrpEがDnaKに結合してその構造を変え、DnaKのN末端ATPaseドメインからADPを遊離することが必要である。 ADPがサイクルから解放されると、サイクルは継続できるようになります。[11] [10]
キネティクス
GrpEとDnaKのヌクレオチド結合溝との相互作用は強く、K dは1 nM（過渡速度論を用いて活性コンフォメーション中に評価）から30 nM（表面プラズモン共鳴による不活性コンフォメーションに基づく）のK dである。[3]この低い解離定数は、GrpEがDnaKに容易に結合することを示している。[16] GrpEがDnaK・ADPに結合すると、DnaKに対するADPの親和性が200倍も低下し、ヌクレオチドの放出速度が5000倍も加速される。このプロセスにより、 DnaKによる未折り畳みタンパク質のde novo折り畳みが促進される。[3] [11]
タンパク質の折り畳み
GrpEはDnaKからの基質放出においても重要な役割を果たしている。[3] GrpEの無秩序なN末端領域は、DnaKの基質結合溝への結合を競合する。研究者らはGrpEを変異させてその構造ドメインの機能を特定した。変異したGrpEは無秩序なN末端ドメインを持たなくても、DnaKのヌクレオチド結合溝に結合して構造変化を引き起こすことができるが、基質は放出されない。[9]
温度センサー
GrpE は熱ショックタンパク質である DnaK のヌクレオチド交換因子であり、その活性は温度の上昇とともに低下します。[2]生物学では、α ヘリックスの可逆的な展開は 35 °C で始まり、中間点 T mは 50 °C です。この展開は GrpE の構造的完全性に影響を及ぼし、GrpE が DnaK のヌクレオチド結合溝に結合するのを防ぎます。これは、熱ストレス時の基質循環とそれに続く ATP 消費を制限する重要な生理学的役割を果たします。DnaK の熱調節はタンパク質の折り畳みを遅くし、高温で折り畳まれていないタンパク質が細胞質に蓄積するのを防ぎます。[3] [11] [10]
バクテリオファージλの複製
GrpEは、最初にファージλ複製における役割で同定されました。[6]機能しないように変異したGrpEは、体内でのファージλ複製を妨げ、体外での複製を大幅に減少させます。体外でDnaKを過剰発現させると、GrpEなしでファージλ複製を回復できます。ファージλ複製におけるGrpEの極めて重要な役割は、複製の起点にあり、DnaBと他の複製因子の組み立て後、GrpEはDnaKとの相互作用を通じて双方向のDNA巻き戻しを促進します。[17]
規制
転写
古細菌ゲノムでは、 GrpE遺伝子はDnaK遺伝子の上流に位置し、DnaK遺伝子はDnaJ遺伝子の上流に位置している。これら3つのタンパク質のうち、 GrpEのプロモーター領域のみが完全なTATA結合ボックスと上流の熱応答性結合部位を持っている。これは、古細菌ではこれら3つの遺伝子が同時に転写されることを示唆している。[7]
大腸菌では、GrpEの転写はRNAポリメラーゼの熱ショック特異的サブユニットσ32の結合によって制御されている。[18]生理学的条件下では、σ32はDnaKおよびDnaJとの相互作用による不活性化、その後のプロテアーゼによる分解によって低レベルに保たれている。しかし、熱ショックの間、これらのタンパク質はσ32と相互作用して分解の標的とすることができない。そのため、熱ショックの間、 σ32は熱ショックタンパク質のプロモーター領域に結合し、これらの遺伝子の急速な誘導を引き起こす。[19]
その他の生物系
真核生物の相同遺伝子
サッカロミセス・セレビシエでは、GrpEホモログであるMge1がミトコンドリアに存在します。[20] Mge1は、ミトコンドリア膜を介したタンパク質の輸送に重要なヌクレオチド交換因子であり、タンパク質の折り畳みでは、酵母のDnaKホモログと相互作用します。Mge1は温度センサーと同様の役割を果たします。[20]酵母には、 Sil1pやFes1pなどのGrpEホモログが他にも存在します。[21]ヒトでは、ミトコンドリア小器官にGrpE様1（GRPEL1）タンパク質が存在します。[22]
真核細胞には、他にも多くの真核生物のGrpE相同遺伝子が存在する。[21] BAGファミリーのメンバー、特にBAG1は、DnaKの真核生物相当物である熱ショックタンパク質70kDa（Hsp70）の主なヌクレオチド交換因子である。真核生物の熱ショックタンパク質と相互作用する他のヌクレオチド交換因子には、Sse1p、Sil1p、Hip、HspBP1などがある。[2] [21]これらの真核生物のヌクレオチド交換因子はすべて熱ショック誘導性であり、GrpEと同様の機能を果たし、細胞を折り畳まれていないタンパク質の凝集から保護する。これらのヌクレオチド交換因子は、それぞれの熱ショックタンパク質のヌクレオチド結合溝のサブドメインIIBと常に相互作用する。ヌクレオチド交換因子のヌクレオチド結合溝への結合とオープンコンフォメーションへの移行は、原核生物と真核生物の間で保存されている。[2] [23]
植物相同体
植物では、GrpEホモログであるCGE1とCGE2が葉緑体中に見つかっている。CGE1にはN末端の6アミノ酸が異なる2つのスプライスアイソフォームがあり、アイソフォームCGE1bはCGE1aより6ヌクレオチド長い。このN末端ドメインは、熱ショックタンパク質との競合的結合による基質放出に重要である。これらの植物ヌクレオチド交換因子はすべて、DnaKの植物ホモログであるcpHsc70と直接相互作用する。これらは熱誘導性であるが、43℃では、細胞を折り畳まれていないタンパク質の蓄積から保護する点でGrpEほど効果的ではない。[24] [25] [26]
病気における役割
細菌による病原性
腸球菌は、ヒトを含む動物の消化管によく見られる細菌です。[27]これらの細菌は、表面に付着した細菌の層であるバイオフィルムを形成します。 [28] [27]腸球菌バイオフィルムは病院や外科の現場で蔓延しており、カテーテル関連感染症の25％の原因となっています。[27]根尖性歯周炎を伴う根管充填歯の50％に見られ、[28]他の創傷からも分離できます。[27] GrpEは、 Enterococcus faecilisとEnterococcus faeciumのゲノムに見られ、病院環境で一般的に使用されるプラスチックポリマーであるポリスチレンチューブへの腸球菌バイオフィルムの付着に重要です。 [29 ]
A群溶連菌は、連鎖球菌性咽頭炎や伝染性膿痂疹などの一般的な感染症を引き起こす細菌ですが、生命を脅かす感染症も引き起こします。[31] [32]感染中、GrpEは連鎖球菌が咽頭上皮細胞に付着するのを助けます。[32]連鎖球菌のGrpEは唾液中の内因性のプロリンに富むタンパク質に結合し、細菌が宿主に付着できるようにします。[32]
参考文献
- ^ Delaney JM. 大腸菌のgrpE変異体は野生型よりも熱に強い。J Gen Microbiol. 1990;136(5):797-801. doi:10.1099/00221287-136-5-797
- ^ abcdef Bracher A、 Verghese J (2015-04-07). 「Hsp70分子シャペロンのヌクレオチド交換因子」。分子生物科学のフロンティア。2 : 10。doi : 10.3389 / fmolb.2015.00010。PMC 4753570。PMID 26913285。
- ^ abcdefg Harrison C (2003). 「GrpE、DnaKのヌクレオチド交換因子」. Cell Stress & Chaperones . 8 (3): 218–24. PMC 514874. PMID 14984054 .
- ^ Richter K、Haslbeck M、 Buchner J (2010年10月)。「熱ショック反応：死の瀬戸際の生命」。 分子細胞。40 (2): 253–66。doi : 10.1016/j.molcel.2010.10.006。PMID 20965420。
- ^ Griffiths AJ、Miller JH、Suzuki DT、Lewontin RC、Gelbart WM (2000)。「ラムダファージ：オペロンの複合体」。遺伝子解析入門（第 7 版）。WH Freeman and Company。
- ^ ab Saito H, Uchida H (1977年6月). 「大腸菌K12におけるバクテリオファージラムダのDNA複製の開始」. Journal of Molecular Biology . 113 (1): 1–25. doi :10.1016/0022-2836(77)90038-9. PMID 328896.
- ^ ab Hickey AJ、Conway de Macario E、Macario AJ (2002 年 1 月)。「古細菌における転写: 基本因子、調節、ストレス遺伝子発現」。生化学と分子生物学の批評的レビュー。37 (4 ) : 199–258。doi :10.1080/10409230290771500。PMID 12236465。S2CID 9789015 。
- ^ Harrison CJ、Hayer-Hartl M、Di Liberto M、Hartl F、Kuriyan J (1997 年 4 月)。「分子シャペロン DnaK の ATPase ドメインに結合したヌクレオチド交換因子 GrpE の結晶構造」。Science . 276 ( 5311): 431–5. doi :10.1126/science.276.5311.431. PMID 9103205。
- ^ abc Brodsky JL、Bracher A (2013)。Hsp70分子シャペロンのヌクレオチド交換因子。Landes Bioscience。
- ^ abc Winter J、Jakob U (2004 年 1 月)。「転写を超えて - 分子シャペロンの制御のための新しいメカニズム」。生化学 と分子生物学の批評的レビュー。39 (5–6): 297–317。doi : 10.1080 /10409230490900658。PMID 15763707。S2CID 11960744 。
- ^ abcd Bhandari V、Houry WA (2015)。「大腸菌シャペロンの基質相互作用ネットワーク：トリガー因子、DnaK、GroEL」。原核生物システム生物学。実験医学と生物学の進歩。第883巻。pp. 271–94。doi : 10.1007/ 978-3-319-23603-2_15。ISBN 978-3-319-23602-5. PMID 26621473。
- ^ ab Blatch GL 、 Edkins AL (2014-12-08)。シャペロンのコシャペロンによるネットワーク化：細胞タンパク質恒常性の制御。Cham。ISBN 9783319117317. OCLC 898028354.
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が見つかりません 発行者 (リンク) - ^ マルケス、ジュベール;フローレス、ジェッサ。キム、エイミー・ヘイン。ニャマア、バヤラグマー。グエン、アン・ティ・トゥエット。パク、ナムミ。ハン、ジン(2019-12-06)。 「がん治療のためのTCAサイクル機能不全の救済」。臨床医学ジャーナル。8 (12): 2161.土井: 10.3390/jcm8122161。ISSN 2077-0383。PMC 6947145。PMID 31817761。
- ^ Calloni G、Chen T、Schermann SM、Chang HC、Genevaux P、Agostini F、他。 (2012 年 3 月)。 「DnaK は大腸菌シャペロン ネットワークの中心ハブとして機能します。」セルレポート。1 (3): 251–64。土井：10.1016/j.celrep.2011.12.007。hdl : 10230/24950。PMID 22832197。
- ^ 原核生物システム生物学。クロガン、ネヴァン J.、バブ、モハン。チャム。2015-11-30。ISBN 978-3-319-23603-2. OCLC 930781755.
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が不明な発行元 (リンク) CS1 メンテナンス: その他 (リンク) - ^ Bisswanger H (2008).酵素反応速度論：原理と方法（第2版および最新版）. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31957-2. OCLC 225406378.
- ^ Wyman C、Vasilikiotis C、Ang D、Georgopoulos C、Echols H (1993 年 11 月)。「GrpE 熱ショックタンパク質の、ラムダファージの起源からの双方向巻き戻しと複製における機能」。The Journal of Biological Chemistry。268 ( 33): 25192–6。doi : 10.1016/ S0021-9258 (19)74587-6。PMID 8227083。
- ^ Arsène F, Tomoyasu T, Bukau B (2000年4月). 「大腸菌の熱ショック応答」. International Journal of Food Microbiology . 55 (1–3): 3–9. doi :10.1016/s0168-1605(00)00206-3. PMID 10791710.
- ^ 友保T、小倉T、立田T、ブカウB (1998年11月)。 「DnaK と DnaJ のレベルにより、大腸菌における熱ショック遺伝子の発現とタンパク質修復が厳密に制御されます。」分子微生物学。30 (3): 567–81。土井：10.1046/j.1365-2958.1998.01090.x。PMID 9822822。S2CID 44947369 。
- ^ ab Moro F, Muga A (2006 年 5 月). 「酵母ミトコンドリア Hsp70 システムの熱適応は、そのヌクレオチド交換因子の可逆的な展開によって制御される」. Journal of Molecular Biology . 358 (5): 1367–77. doi :10.1016/j.jmb.2006.03.027. PMID 16600294.
- ^ abc シャペロンのコシャペロンによるネットワーク化：細胞タンパク質恒常性の制御。Blatch , Gregory L.、Edkins, Adrienne Lesley。Cham。2014-12-08。ISBN 978-3-319-11731-7. OCLC 898028354.
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が不明な発行元 (リンク) CS1 メンテナンス: その他 (リンク) - ^ MacKenzie JA、Payne RM（2007年5月）。「ミトコンドリアタンパク質の輸入とヒトの健康と疾患」。Biochimica et Biophysica Acta（BBA） - Molecular Basis of Disease。1772 （ 5 ）：509–23。doi ： 10.1016 /j.bbadis.2006.12.002。PMC 2702852。PMID 17300922。
- ^ Dekker PJ、Pfanner N (1997 年7 月)。「マトリックス Hsp70 の ATPase サイクルにおけるミトコンドリア GrpE とリン酸の役割」。Journal of Molecular Biology。270 ( 3): 321–7。doi : 10.1006 /jmbi.1997.1131。PMID 9237899 。
- ^ デ・ルナ＝バルデス LA、ビジャセニョール＝サルメロン CI、コルドバ E、ベラ＝エストレージャ R、レオン＝メヒア P、ゲバラ＝ガルシア AA (2019 年 6 月)。 「シロイヌナズナ由来の葉緑体 GrpE (CGE) タンパク質の機能解析」。植物生理学および生化学。139 : 293–306。土井：10.1016/j.plaphy.2019.03.027。PMID 30927692。S2CID 88523372 。
- ^ Schroda M、Vallon O、 Whitelegge JP 、 Beck CF、Wollman FA (2001 年 12 月)。「クラミドモナスの葉緑体 GrpE ホモログ: 異なるスプライシングによって生成される 2 つのアイソフォーム」。The Plant Cell。13 ( 12) : 2823–39。doi :10.1105/ tpc.010202。PMC 139491。PMID 11752390。
- ^ Willmund F、Mühlhaus T、Wojciechowska M、Schroda M (2007 年 4 月)。「葉緑体 GrpE ホモログ CGE1 の NH2 末端ドメインは、生体内での二量体化とコシャペロン機能に必要である」。The Journal of Biological Chemistry。282 ( 15): 11317–28。doi : 10.1074/ jbc.M608854200。PMID 17289679。
- ^ abcd Ch'ng JH、Chong KK、Lam LN、Wong JJ、 Kline KA（2019年1月）。「腸球菌によるバイオフィルム関連感染」。ネイチャーレビュー。微生物学。17 （ 2）：82–94。doi ：10.1038/s41579-018-0107- z。PMID 30337708。S2CID 53018953 。
- ^ ab Gilmore MS、Clewell DB、Ike Y、Shankar N (2014)。Gilmore MS、Clewell DB、Ike Y、Shankar N (編)。「腸球菌：常在菌から薬剤耐性感染症の主原因まで」。マサチューセッツ眼科耳鼻科診療所。PMID 24649510 。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ Paganelli FL、Willems RJ、 Leavis HL（2012年1月）。「腸球菌感染症の今後の治療の最適化：バイオフィルムへの攻撃？」。Trends in Microbiology。20（1）：40–9。doi ： 10.1016 /j.tim.2011.11.001。PMID 22169461。
- ^ 「ポリスチレンとは何か？ | 用途、利点、安全性に関する情報」ChemicalSafetyFacts.org 2014-05-01 2019-12-11閲覧。
- ^ Bennett JE、Dolin R、Blaser MJ (2019-08-08)。マンデル、ダグラス、ベネットの感染症の原則と実践（第9版）。フィラデルフィア、ペンシルバニア州。ISBN 978-0-323-55027-7. OCLC 1118693541.
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が見つかりません 発行者 (リンク) - ^ abc Brouwer S、Barnett TC、Rivera-Hernandez T、Rohde M、Walker MJ (2016年11月)。「Streptococcus pyogenesの接着と定着」。FEBS Letters。590 ( 21 ) : 3739–3757。doi : 10.1002 /1873-3468.12254。hdl : 10033 /619157。PMID 27312939。S2CID 205213711。