酵母Hsp70(Ssa1)底物结合结构域的结构及其抑制Ure2纤维化的功能机制研究

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Hsp70是一类生命活动必需的分子伴侣,广泛存在于不同物种和细胞各部位。空间结构上,Hsp70分子可以分为N端的ATPase结构域(NBD)和C端的底物结合结构域(SBD);其中,SBD包括构成底物结合口袋的β片层结构(β-sandwich,SBDβ)和C末端结构域(CTD),CTD可以进一步分为α螺旋盖状结构(α-helical lid,SBDα)以及C端约40个残基构成的无序区(C-IDR)。Ssa1是酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)细胞质中大量存在的一种组成型Hsp70。它在体内过表达时会抑制酵母淀粉样蛋白Ure2相关的状态[URE3],在体外抑制Ure2淀粉样纤维化。本实验室前期研究发现:Ssa1的SBDα在其抑制Ure2淀粉样纤维化中起到重要的辅助作用。  本课题研究通过对Ssa1不同长度截短体进行纯化和筛选,获得了适宜进行核磁共振结构解析的片断,即ΔAΔC88 Ssa1(382-554)和Ssa1 CTDΔ20(523-622),二者分别含有SBDβ和SBDα结构。Ssa1 CTDΔ20的三维结构已获得解析,它是一个由4个α螺旋(αB-E)构成的α螺旋束;本课题还对包含完整的C-IDR序列的Ssa1CTD(523-642)进行了主链信号归属。ΔAΔC88 Ssa1化学位移归属已完成,其初始结构也被获得:2段反向平行的β片层,各含有4段β折叠股;其后为1段α螺旋(αA)和由αB解旋形成的柔性序列。这些结果为后续的Ssa1的结构功能研究打下了良好的基础。  接着用荧光共振能量转移方法证明,不仅Ssa1 SBDβ能直接结合Ure2,Ssa1CTD也与Ure2存在显著的相互作用。通过核磁共振滴定实验,本课题研究发现:Ssa1CTD主要通过其C末端柔性区域的GGAP重复基序(609-628)与Ure2相互作用。这一基序与Ure2的两个结构域——N端的prion结构域和C端球形结构域——可能都存在相互作用。这一基序独立构成的小肽也会与Ure2相互作用。这一基序也与辅分子伴侣Ydj1存在相互作用。互换C-IDR的Ssa1与DnaK SBD突变体抑制Ure2淀粉样纤维化的动力学研究表明:GGAP基序需要与自身蛋白SBDβ和SBDα相互协同,才能充分发挥功能。酵母体内研究表明:GGAP基序删除和突变都会影响酵母对温度、化学试剂的应激。  本课题研究结果证明了GGAP基序对Ssa1分子伴侣活性的作用。生物信息学分析表明:类似的四肽基序存在于其他物种和不同类型Hsp70的C-IDR中,并广泛存在于多种其他功能的蛋白质中。类似的甘氨酸富集区域广泛存在,但其功能及机制方面的研究却并不多。我们的研究结果将帮助我们更好地理解这类基序及相关蛋白的生物学功能。
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