生物物理研究所柯莎研究组揭示两种主要的人源胞浆Hsp70巯基活性差别的分子机制

　　2022年 11月22日，《生物化学杂志》（JBC）在线发表了中科院生物物理研究所柯莎（Sarah Perrett）研究组的研究论文，题为“Exploration of the cysteine reactivity of human inducible Hsp70 and cognate Hsc70”该研究工作是柯莎研究组对Hsp70的结构与功能的关系及Hsp70的半胱氨酸巯基反应活性长期研究获得的系列重要成果之一，揭示了两种同源性高达86%的人源胞浆Hsp70——应激诱导型Hsp70（HspA1A，hHsp70）和保守表达的Hsp70（HspA8, hHsc70）具有不同巯基活性的分子机制。

　　hHsp70有5个半胱氨酸残基（C17，C267，C306，C574和C306），而hHsc70则有4个半胱氨酸残基（C17，C267， C574和C306）。虽然在巯基修饰的数据库和柯莎研究组前期的研究中发现这些半胱氨酸残基在体内都可能发生巯基修饰，但是前期研究显示hHsp70具有比hHsc70更高的巯基活性，在DTNB反应、谷胱甘肽化以及PES的共价修饰反应中均具有更快的反应速率。本研究进一步发现在hHsp70和hHsc70共有的4个半胱氨酸残基单独的巯基活性，都是hHsp70比hHsc70更高。在结构上hHsp70和hHsc70具有高度相似性，因此这种活性差异可能由其结构动力学特性上的差异所导致。Hsp70主要由两个大的结构域（核苷酸结合结构域和底物结合结构域）组成，其中底物结合结构域（SBD）又包括两个小的亚结构域（SBDα和SBDβ）。本研究进一步发现底物结合结构域内亚结构域之间的相互作用对hHsc70的SBDα（C574和C603）巯基活性有较为显著的抑制作用，而在hHsp70这种抑制作用比较弱。此外，研究发现hHsp70的SBDα截短体比hHsc70的SBDα截短体仍具有更高的巯基活性，通过进一步的NMR动力学分析，发现hHsp70的SBDα有三个区域比hHsc70的SBDα显示出更高的动力学特性。其中，B螺旋和C螺旋之间的loop区（L_BC），在空间上靠近C574和C603，可能对这两个半胱氨酸残基的暴露有较大的影响，特别是hHsp70的G557可能使得这段loop具有更高的动力学特性。hHsp70和hHsc70相关残基交换突变的实验结果，验证了B螺旋和C螺旋之间的loop区、尤其是G557的柔性对SBDα的巯基活性的影响。

　　这一研究揭示了蛋白质的动力学特性对其巯基活性具有深刻的影响，可能进一步决定蛋白质对环境氧化还原的敏感程度，以及受氧化还原调控的情况。对于hHsp70和hHsc70这两种功能上既有重叠又有特异性的同源蛋白而言，对氧化还原感知能力的差异性，很可能与它们的功能特异性密切相关，如hHsp70对氧化还原变化的敏感性可能使得hHsp70参与细胞内氧化还原信号转导，而hHsc70对氧化还原变化更加钝化，则使得hHsc70可能在更宽泛的氧化还原范围内保持分子伴侣活性的相对稳定。

人源应激型Hsp70（hHsp70）和人源保守表达的Hsp70（hHsc70）的半胱氨酸残基分布、巯基活性差异性，及其SBDα结构的动力学特性差异。

　　该研究主要由以前在柯莎课题组进行本科毕业设计研究工作的贝时璋菁英班学生洪舟萍（现在耶鲁大学攻读博士学位）和生物物理研究所副研究员宫维斌作为共同第一作者，完成关键的实验。已毕业的博士生杨杰的工作为该研究奠定了重要的基础，已毕业的硕士生李赛楠、张红副研究员（完成该工作时在生物物理研究所柯莎研究组，现在中国医学科学院基础医学研究所）和柯莎研究组刘珍艳实验师完成了部分实验工作。柯莎研究员和张红副研究员为共同通讯作者，完成整个研究的设计规划和文章的写作修改。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目资助。

　　文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925822011668?via%3Dihub

（供稿：柯莎研究组）