Химический сопровождающий

Химические шапероны представляют собой класс небольших молекул , которые улучшают сворачивание и/или стабильность белков. Химические шапероны представляют собой широкую и разнообразную группу молекул, и они могут влиять на стабильность белков и организацию полипептидов посредством различных механизмов. Химические шапероны используются для широкого спектра применений: от производства рекомбинантных белков до лечения неправильного сворачивания белков in vivo .

Классы химических шаперонов

Существует множество различных небольших молекул, которые могут повышать стабильность и сворачивание белков. Многие из них можно сгруппировать в большие классы на основе их структуры и предполагаемого механизма действия. Параметры, определяющие эти группы, строго не определены, и многие небольшие молекулы, оказывающие химический сопровождающий эффект, с трудом попадают ни в одну из этих категорий. Например, свободная аминокислота аргинин классически не определяется как химический шаперон, но она обладает хорошо документированным антиагрегационным действием. ^{[ 1 ]}

Осмолиты

Клеточные осмолиты представляют собой небольшие полярные молекулы, которые синтезируются или поглощаются клетками для поддержания целостности клеточных компонентов в периоды осмотического или других форм стресса. ^{[ 1 ]} Осмолиты разнообразны по химическому строению и включают полиолы, сахара, метиламины, свободные аминокислоты и их производные. Примеры их включают глицерин , трегалозу , н-оксид триметиламина (ТМАО) и глицин . ^{[ 2 ]} Несмотря на то, что осмолиты наиболее активны при относительно высоких концентрациях, они не оказывают никакого влияния на нормальные клеточные процессы – по этой причине их также часто называют «совместимыми растворенными веществами». ^{[ 1 ]} Осмолиты оказывают свое шаперонирующее действие не напрямую, а опосредованно, изменяя взаимодействие белка с растворителем. Неблагоприятные взаимодействия между белками и осмолитами увеличивают сольватацию белка водой. Эта повышенная гидратация способствует формированию более компактных полипептидов, в которых гидрофобные остатки более прочно изолируются от полярного растворителя. Таким образом, считается, что осмолиты действуют путем структурирования частично свернутых промежуточных продуктов и термодинамической стабилизации свернутых конформаций в большей степени, чем развернутых. ^{[ 2 ]}

Гидрофобные соединения

Химические соединения, имеющие разную степень гидрофобности, но при этом растворимые в водной среде, также могут действовать как химические шапероны. Считается, что эти соединения действуют путем связывания с гидрофобными сегментами развернутых или неправильно свернутых белков, подвергающихся воздействию растворителя, тем самым «защищая» их от агрегации. 4-фенилбутират (ПБА) является ярким примером этой группы соединений, наряду с лизофосфатидными кислотами и другими липидами и детергентами. ^{[ 3 ]}

Фармакологические сопровождающие

Другой класс шаперонов состоит из белков-лигандов, кофакторов, конкурентных ингибиторов и других небольших молекул, специфически связывающихся с определенными белками. Поскольку эти молекулы активны только в отношении определенного белка, их называют фармакологическими шаперонами. Эти молекулы могут индуцировать стабильность в определенной области белка за счет благоприятных связывающих взаимодействий, которые уменьшают присущую полипептидной цепи конформационную гибкость. ^{[ 2 ]} Еще одним важным свойством фармакологических шаперонов является то, что они способны связываться с развернутым или неправильно свернутым белком, а затем диссоциировать, как только белок правильно свернут, оставляя функциональный белок. ^{[ 1 ]}

Приложения

Экспрессия рекомбинантного белка

Помимо клинического применения, химические шапероны оказались полезными для in vitro производства рекомбинантных белков .

Рефолдинг нерастворимых белков из телец включения

Рекомбинантная экспрессия белка в Escherichia coli часто приводит к образованию нерастворимых белковых агрегатов, называемых тельцами включения . Эти белковые тела требуют рефолдинга in vitro после экстракции из клеток E.coli сильным детергентом. Считается, что белки разворачиваются в процессе солюбилизации, а последующее удаление детергента путем разбавления анализа позволяет их повторно свернуть. Во время удаления денатуранта часто используются как усилители сворачивания, так и подавители агрегации, чтобы облегчить сворачивание в нативную структуру и предотвратить агрегацию. Усилители сворачивания помогают белку принять нативную структуру как можно скорее, когда концентрация детергента резко снижается сразу, как в процессе разбавления. С другой стороны, подавители агрегации предотвращают агрегацию промежуточных продуктов сворачивания белков даже после длительного воздействия промежуточного уровня детергента, как это наблюдается при диализе. Например, сообщалось, что таурин значительно увеличивает эффективность рефолдинга in vitro Fab-фрагмента. антитела . ^{[ 1 ]}

Периплазматическая экспрессия

Открытие влияния химических шаперонов на сворачивание белков привело к экспрессии периплазматических белков, особенно тех, которым требуется окислительная среда для образования дисульфидных связей для правильного сворачивания. Сворачивание белков, которое трудно осуществить в цитоплазме, может быть усилено в периплазме, где осмотическое давление можно легко контролировать. Осмотическое давление периплазматического пространства можно просто изменить, изменив давление среды, поскольку осмолиты свободно проникают через наружную мембрану. Белки секретируются в это пространство, когда к его концу присоединяется соответствующая сигнальная последовательность. Хорошим примером усиления сворачивания за счет периплазматической экспрессии является вариант активатора плазминогена, содержащий дисульфидную связь (rPA). Показано, что сворачивание rPA увеличивается при добавлении в культуральную среду усилителей сворачивания или аргинина. ^{[ 1 ]}

Использование галофилов в производстве белков

Галофилы — это тип экстремофилов, приспособившихся к экстремальным соляным растворам. Галофилы подразделяются на две категории: 1) крайне галофильные археи и 2) умеренно галофильные бактерии . Чрезвычайно галофильные археи приспособились к необходимости высоких концентраций соли (2,5 М) в среде обитания за счет включения высокой концентрации соли в клетку. С другой стороны, умеренно галофильные бактерии способны жить в широком диапазоне концентраций солей за счет синтеза или включения органических соединений. Многие галофильные бактерии и археи легко содержать, а их высокое клеточное осмотическое давление используется для производства рекомбинантных белков. Клеточная среда галофилов может быть точно настроена для обеспечения сворачивания интересующего белка путем регулирования концентрации осмолитов в культуральной среде. Сообщалось об успешной экспрессии и сворачивании белка ледяной нуклеации, GFP, α-амилазы, нуклеотиддифосфаткиназы и серинрацемазы у галофилов. ^{[ 1 ]}

Болезни сворачивания белков

Поскольку химические шапероны способствуют сохранению нативной структуры белков, были изучены возможности разработки химических шаперонов для клинического применения при различных заболеваниях сворачивания белков.

Муковисцидоз

Муковисцидоз (МВ) — заболевание, возникающее в результате неспособности поддерживать уровень регулятора трансмембранной проводимости муковисцидоза (CFTR), который функционирует как хлоридный канал в легочных тканях. Точечная мутация ΔF508 в белке CFTR, препятствующая созреванию белка, была обнаружена у ряда пациентов с МВ. Обнаружено, что мутантный CFTR в большинстве случаев не транспортируется к клеточной мембране и разрушается в ЭР; однако те, которые успешно достигают клеточной мембраны, полностью функциональны. В результате было показано, что ряд химических шаперонов способствует транспортировке ΔF508 CFTR к плазматической мембране. ^{[ 4 ]}

Транстиретиновые амилоидозы

Частично денатурированный транстиретин (TTR) может способствовать образованию амилоидных фибрилл в клетках, и эта агрегация может привести к клеточной токсичности и различным патологиям заболеваний человека. Было обнаружено множество низкомолекулярных ингибиторов образования амилоида TTR, которые действуют путем кинетической стабилизации тетрамера TTR. Это предотвращает события неправильного сворачивания мономера, препятствуя диссоциации тетрамера TTR. ^{[ 5 ]} Тафамидис — одна из таких небольших молекул, одобренная несколькими международными регулирующими органами для лечения транстиретиновой семейной амилоидной полинейропатии. ^{[ 6 ]}

См. также

Шаперон (белок) , белки, выполняющие ту же функцию

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Раджан, Р; Цумото, К; Токунага, М; Токунага, Х; Кита, Ю; Аракава, Т. (2011). «Химические и фармакологические шапероны: применение для производства рекомбинантных белков и заболеваний сворачивания белков». Курс. Мед. Химия 18 (1): 1–15. дои : 10.2174/092986711793979698 . ПМИД 21110818 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Леандро, П; Гомес, К. (2008). «Неправильное сворачивание белков при конформационных нарушениях: устранение дефектов сворачивания и химическое сопровождение». Мини-преподобный. Мед. Хим . 8 (9): 901–911. CiteSeerX 10.1.1.642.9075 . дои : 10.2174/138955708785132783 . ПМИД 18691147 .
^ Папп, Э; Чермели, П (2006). «Химические шапероны: механизмы действия и потенциальное использование». Мол. Сопровождающие исцеляют. Дис . Справочник по экспериментальной фармакологии. 2006 (172): 405–416. дои : 10.1007/3-540-29717-0_16 . ISBN 978-3-540-25875-9 . ПМИД 16610368 .
^ Уэлч, WJ; Браун, ЧР (1996). «Влияние молекулярных и химических шаперонов на сворачивание белков» . Клеточные стрессы и шапероны . 1 (2): 109–15. ПМК 248462 . ПМИД 9222596 .
^ Коннелли, С.; Чой, С.; Джонсон, С.М.; Келли, JW; Уилсон, Айова (2010). «Структурная разработка кинетических стабилизаторов, облегчающих транстиретиновый амилоидоз» . Курс. Мнение. Структура. Биол . 20 (1): 54–62. дои : 10.1016/j.sbi.2009.12.009 . ПМЦ 2830738 . ПМИД 20133122 .
^ «Первый препарат Vyndaqel® (Тафамидис) компании Pfizer, одобренный в Европейском Союзе для лечения редкого и смертельного нейродегенеративного заболевания, транстиретиновой семейной амилоидной полинейропатии (TTR-FAP)» . www.businesswire.com . 17 ноября 2011 года . Проверено 12 декабря 2014 г.

[Arakawa-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Раджан, Р; Цумото, К; Токунага, М; Токунага, Х; Кита, Ю; Аракава, Т. (2011). «Химические и фармакологические шапероны: применение для производства рекомбинантных белков и заболеваний сворачивания белков». Курс. Мед. Химия 18 (1): 1–15. дои : 10.2174/092986711793979698 . ПМИД 21110818 .

[Gomes-2] Jump up to: ^а ^б ^с Леандро, П; Гомес, К. (2008). «Неправильное сворачивание белков при конформационных нарушениях: устранение дефектов сворачивания и химическое сопровождение». Мини-преподобный. Мед. Хим . 8 (9): 901–911. CiteSeerX 10.1.1.642.9075 . дои : 10.2174/138955708785132783 . ПМИД 18691147 .

[Csermely-3] Папп, Э; Чермели, П (2006). «Химические шапероны: механизмы действия и потенциальное использование». Мол. Сопровождающие исцеляют. Дис . Справочник по экспериментальной фармакологии. 2006 (172): 405–416. дои : 10.1007/3-540-29717-0_16 . ISBN 978-3-540-25875-9 . ПМИД 16610368 .

[Welch-4] Уэлч, WJ; Браун, ЧР (1996). «Влияние молекулярных и химических шаперонов на сворачивание белков» . Клеточные стрессы и шапероны . 1 (2): 109–15. ПМК 248462 . ПМИД 9222596 .

[Connelly-5] Коннелли, С.; Чой, С.; Джонсон, С.М.; Келли, JW; Уилсон, Айова (2010). «Структурная разработка кинетических стабилизаторов, облегчающих транстиретиновый амилоидоз» . Курс. Мнение. Структура. Биол . 20 (1): 54–62. дои : 10.1016/j.sbi.2009.12.009 . ПМЦ 2830738 . ПМИД 20133122 .

[businesswire-6] «Первый препарат Vyndaqel® (Тафамидис) компании Pfizer, одобренный в Европейском Союзе для лечения редкого и смертельного нейродегенеративного заболевания, транстиретиновой семейной амилоидной полинейропатии (TTR-FAP)» . www.businesswire.com . 17 ноября 2011 года . Проверено 12 декабря 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]