Jarosław Marszałek Mitochondrialne Hsp70 – funkcja i ewolucja

Mitochondrialne Hsp70 – funkcja i ewolucja
STRESZCZENIE
Z
dolność do cyklicznego oddziaływania z substratami białkowymi umożliwiła białkom
opiekuńczym Hsp70 udział w różnorodnych procesach komórkowych takich jak: fałdowanie łańcucha polipeptydowego białek, transport polipeptydów przez błony, modulowanie
odziaływań pomiędzy białkami, zapobieganie agregacji polipeptydów oraz rozbijanie agregatów białkowych. Aktywności te wymagają współpracy białka Hsp70 z białkami pomocniczymi typu-J oraz czynnikami wymiany nukleotydów. Białka pomocnicze regulują cykl
hydrolizy ATP katalizowanej przez Hsp70, który umożliwia odwracalne wiązanie substratu
białkowego. W poszczególnych przedziałach komórki eukariotycznej może współwystępować kilka różnych Hsp70 oraz białek typu-J. Dlatego ich funkcjonowanie w różnorodnych
procesach wymaga specjalizacji albo samego Hsp70 albo też zdolności wielofunkcyjnego
Hsp70 do oddziaływania z zestawem wyspecjalizowanych białek typu-J. Badane przez nas
systemy Hsp70 funkcjonujące w mitochondriach dostarczają przykładów obydwu typów
specjalizacji. Tym samym stanowią dogodny model badawczy umożliwiający poznanie zarówno molekularnych jak też ewolucyjnych podstaw funkcjonalnego różnicowania systemów Hsp70.
WPROWADZENIE
Systemy opiekuńcze Hsp70 występują we wszystkich przedziałach komórki
eukariotycznej funkcjonując w wielu procesach niezbędnych dla życia. Mechanizm ich działania opiera się na odwracalnym, cyklicznym wiązaniu krótkich
hydrofobowych sekwencji reszt aminokwasowych eksponowanych na powierzchni białek nazywanych substratami. Ten uniwersalny mechanizm umożliwia białkom opiekuńczym Hsp70 pełnienie wielu ważnych funkcji [1-3]. Hsp70
uczestniczą w fałdowaniu łańcucha polipeptydowego nowo syntetyzowanych
białek, modulują oddziaływania pomiędzy białkami wpływając na ich konformację, napędzają transport polipeptydów przez błony biologiczne. Systemy
Hsp70 umożliwiają również ponowne fałdowanie łańcuchów polipeptydowych
białek, które utraciły natywną konformację pod wpływem warunków stresowych. Zaś w przypadku, gdy ich ponowne zwinięcie do natywnej konformacji
nie jest możliwe, Hsp70 kierują polipeptydy do systemów proteolitycznych komórki.
Zaangażowanie białek Hsp70 w tak wiele różnorodnych procesów komórkowych, podczas gdy ich podstawowa aktywność biochemiczna ogranicza się
do regulowanego przez wiązanie i hydrolizę ATP cyklicznego oddziaływania z
krótkimi fragmentami łańcucha polipeptydowego substratów białkowych, jest
zaskakujące i wymaga wyjaśnienia. W tej pracy omówię mechanizmy molekularne oraz ewolucję funkcjonalnego różnicowania systemów Hsp70 występujących w mitochondriach. Systemy te dobrze ilustrują dwie główne strategie: (1)
zwielokrotnienie i specjalizację genów kodujących białka Hsp70 oraz (2) zwielokrotnienie i specjalizację genów kodujących białka pomocnicze typu-J. Skoncentruję się na mitochondrialnych Hsp70 drożdży, gdyż dla tej grupy organizmów
dostępne są zarówno dane genomowe jak też liczne dane doświadczalne uzyskane w wyniku prac z zastosowaniem klasycznych organizmów modelowych
takich jak Saccharomyces cerevisiae, Sichzosaccharomyces pombe czy Neurospora crassa. Drożdże są też głównym obiektem badań naszego zespołu. Zanim jednak
przejdę do systemów mitochondrialnych omówię cykl wiązania substratu białkowego oraz mechanizmy odpowiedzialne za zwielokrotnienie liczby genów
kodujących białka systemów Hsp70.
Jarosław Marszałek
Pracownia Biochemii Ewolucyjnej, Międzyuczelniany Wydział Biotechnologii, Uniwersytet Gdański i Gdański Uniwersytet Medyczny,
Gdańsk
Pracownia
Biochemii
Ewolucyjnej,
Międzyuczelniany Wydział Biotechnologii,
Uniwersytet Gdański i Gdański Uniwersytet
Medyczny, ul Antoniego Abrahama 58, 80-307
Gdańsk; tel.: (58) 523 6313; e-mail: jaroslaw.
[email protected]

Artykuł otrzymano 26 kwietnia 2016 r.
Artykuł zaakceptowano 18 maja 2016 r.
Słowa kluczowe: białka typu-J, mitochondrialne DNA, import białek mitochondrialnych,
centra żelazo-siarkowe, ewolucja białek
Podziękowania: Dr hab. Rafałowi Dutkiewiczowi, prof. Elizabeth Craig oraz dr Brendzie
Schilke (University of Wisconsin-Madison)
dziękuję za wieloletnią współpracę. Opisane
tutaj wyniki badań naszego zespołu powstały dzięki pracy doktorantów: Marleny Duchniewicz, Aleksandry Germaniuk, Heleny
Knieszner, Małgorzty Macierzanki, Sebastiana
Pukszty, Bogusławy Paterkiewicz, Magdaleny Płotki, Grzegorza Ciesielskiego, Szymona
Ciesielskiego, Jacka Kominka, Julii Majewskiej,
Mateusza Manickiego, Michała Rogaczewskiego, Wojciecha Delewskiego, BartłomiejaTomiczka i Małgorzaty Nowak.
Praca finansowana z Subsydium Profesorskiego w Programie Mistrz (6/2014) Fundacji na
Rzecz Nauki Polskiej.
CYKL WIĄZANIA SUBSTRATU BIAŁKOWEGO
Struktura domenowa białek rodziny Hsp70 pochodzących z różnych organizmów jest bardzo podobna (Ryc. 1). Każde z nich składa się z dwóch domen
połączonych elastycznym łącznikiem. N-końcowa domena ATPazowa (~44
Postępy Biochemii 62 (2) 2016
69
Rycina 1. Struktura białka Hsp70 oraz domeny-J. Struktura Hsp70 jest zachowana w ewolucji. Domena ATPazowa (żółta) ma głęboką szczelinę w której
wiąże się ATP. W domenie wiążącej substrat zbudowana z β-kartek szczelina
(niebieska), oddziałująca z grupą aminokwasów hydrofobowych, jest przykryta
przez α-helikalne wieczko (zielone). Elastyczny łącznik (czerwony) umożliwia
allosteryczną komunikację pomiędzy domenami (rycina w oparciu o PDB
id:2KHO). Każda funkcjonalna domena-J posiada trójpeptyd HPD, niezbędny do
stymulacji ATPazy partnerskiego Hsp70 (rycina w oparciu o PDB id:1XBL).
kDa) zbudowana jest z dwóch płatów tworzących szczelinę wewnątrz której znajduje się miejsce wiązania ATP. C-końcowa domena wiążąca substrat białkowy (~26 kDa) [3]
składa się z dwóch części: domeny o strukturze β-kanapki,
która tworzy kieszeń wiążącą sekwencje kilku reszt aminokwasowych o charakterze hydrofobowym eksponowaną na
powierzchni substratu białkowego oraz domeny o strukturze α-helisy, która tworzy wieczko przykrywające miejsce
wiązania substratu białkowego. Łącznik pomiędzy domeną
ATPazową i wiążącą substrat pełni istotną rolę w procesie
allosterycznej komunikacji pomiędzy domenami [4].
Podstawowa aktywność biochemiczna Hsp70 to cykliczne wiązanie substratu białkowego regulowane przez hydrolizę ATP oraz wynikające z niej zmiany konformacji obu domen (Ryc. 2). W wyniku wiązania ATP domena ATPazowa
przyjmuje konformację umożliwiającą jej bezpośrednie oddziaływanie zarówno z sekwencją łącznika jak też z dome-
ną wiążącą substrat. Przy czym α-helikalne wieczko domeny wiążącej substrat odchyla się na skutek oddziaływania z
domeną ATPazową odsłaniając miejsce wiązania polipeptydu [5]. Taka konformacja umożliwia zarówno szybkie wiązanie jak też szybkie uwalniane substratu białkowego. W
wyniku hydrolizy ATP do ADP dochodzi do zmiany konformacji obu domen. Domena wiążąca substrat odłącza się
od domeny ATPazowej a helikalne wieczko zamyka miejsce
wiązania polipeptydu stabilizując tym samym oddziaływanie z substratem białkowym [6]. Z kolei wymiana ADP na
ATP indukuje kolejną zmianę konformacji umożliwiając
odłączenie polipeptydu i inicjację nowego cyklu wiązania
substratu.
Białka Hsp70 nie funkcjonują samodzielnie. Dwie kluczowe aktywności: hydroliza ATP oraz wymiana ADP na
ATP (Ryc. 2); stymulowane są przez białka pomocniczekolejno białko typu-J oraz czynnik wymiany nukleotydu
[7,8]. Cechą charakterystyczną wszystkich białek typu-J jest
obecność domeny-J (Ryc. 1B). Typowa domena-J składa się
z czterech α-helis, przy czym helisy II i III tworzą strukturę palca zbudowanego z przeciw równoległych łańcuchów
połączonych elastyczną pętlą. W obrębie pętli znajduje się
motyw 3 reszt aminokwasowych (histydyna, prolina i kwas
asparaginowy, HPD) obecny we wszystkich aktywnych domenach-J [9]. Funkcja domeny-J to stymulacja aktywności
ATPazowej partnerskiego Hsp70 wymagająca bezpośredniego oddziaływania obu białek przy udziale reszt aminokwasowych motywu HPD. Białka typu-J posiadają dodatkowe domeny warunkujące ich współdziałanie z partnerskim Hsp70. Jednak struktura tych domen różni się pomiędzy poszczególnymi białkami. W niektórych przypadkach
obecność dodatkowych domen umożliwia białkom typu-J
wiązanie substratu białkowego i przekazanie go do partnerskiego Hsp70 (Ryc. 2). Inne białka typu-J, posiadają domeny
umożliwiające ich specyficzną lokalizację komórkową, blisko miejsca w którym wymagane jest działanie partnerskiego Hsp70 [1].
Czynniki wymiany nukleotydu to ewolucyjnie zróżnicowana grupa białek, których wspólną cechą jest zdolność
oddziaływania z Hsp70 co prowadzi do zmian konformacyjnych umożliwiających dysocjację ADP powstałego w
wyniku hydrolizy ATP [8]. Tym samym białka te inicjują
wiązanie kolejnej cząsteczki ATP skutkujące uwolnieniem
substratu białkowego związanego przez Hsp70. Oddziaływanie Hsp70 z białkami pomocniczymi reguluje przebieg
cyklu wiązania substratu białkowego. Białka typu-J poprzez stymulację ATPazy promują powstanie stabilnego
kompleksu Hsp70-substrat białkowy, zaś czynniki wymiany nukleotydu regulują częstotliwość cyklu wiązania substratu białkowego.
Rycina 2. Cykl wiązania substratu białkowego przez Hsp70. (1) Kompleks białka
typu-J z częściowo rozfałdowanym substratem białkowym oddziałuje z Hsp70
w kompleksie z ATP (konformacja otwarta). Wieczko przykrywające miejsce
wiązania polipeptydu jest otwarte. Jednoczesne oddziaływania domeny-J białka
typu-J oraz substratu białkowego z Hsp70 stymulują ATPazę. Po hydrolizie ATP
do ADP wieczko domeny wiążącej substrat jest zamknięte stabilizując kompleks
Hsp70-substrat białkowy. Białko typu-J odłącza się od Hsp70. (2) Przyłączenie
czynnika wymiany nukleotydu Mge1. (3) Dysocjacja ADP oraz czynnika wymiany nukleotydu umożliwia przyłączenie ATP, otwarcie wieczka oraz uwolnienie
substratu białkowego.
70
ZWIELOKROTNIENIE LICZBY GENÓW
KODUJĄCYCH BIAŁKA HSP70 I BIAŁKA TYPU-J
Hsp70 i białka typu-J są wyjątkiem pośród białek opiekuńczych gdyż występują jako wielogenowe rodziny w organizmach należących do wszystkich domen życia (Ryc. 3).
Przykładowo drożdże S. cerevisiae kodują 14 Hsp70 i 23
białka typu-J, podczas gdy w genomie człowieka zidentyfikowano 17 genów Hsp70 współpracujących z 41 genami kowww.postepybiochemii.pl
cej komórce drożdżowej [15,16].
System białek Ssc1/Mdj1/Mge1
zlokalizowany jest w macierzy
mitochondrialnej gdzie pełni
funkcje podobne do bakteryjnego odpowiednika (DnaK/
DnaJ/GrpE). Przykładowo zarówno badania biochemiczne
jak też badania z wykorzystaRycina 3. Ewolucja funkcjonalnego różnicowania systemów Hsp70. W wielu przedziałach komórki eukariotycznej poniem żyjących komórek drożjedyncze białko Hsp70 funkcjonuje z kilkoma białkami typu-J. Każde z nich warunkuje udział partnerskiego Hsp70
dży pokazały, że podstawowy
w innym procesie komórkowym (środkowy panel). Proces funkcjonalnego różnicowania systemów Hsp70 wynika z
zaangażowania nowego białka typu-J (lewy panel) i/lub z duplikacji oraz specjalizacji białka Hsp70 (prawy panel).
mitochondrialny system Hsp70
uczestniczy w fałdowaniu łańcuchów polipeptydowych białek
dującymi białka typu-J [1,10,11]. Również niektóre genomy
mitochondrialnych zarówno w warunkach fizjologicznych
wirusowe kodują białka Hsp70 i białka typu-J [12]. To zróżjak też w warunkach stresu cieplnego [17-19]. Po obniżeniu
nicowanie genetyczny wyróżnia systemy Hsp70 od innych
temperatury białka systemu Ssc1/Mdj1/Mge1 umożliwiają
klas białek opiekuńczych. Dlaczego tak się dzieje? Jednym
ponowne fałdowanie łańcuchów polipeptydowych oraz rez czynników sprzyjających tej różnorodności może być to,
aktywację białek które uległy agregacji [19].
że odwracalne wiązania polipeptydów jest mechanizmem,
który może być wykorzystywany w różnorodnych proceDotychczasowe badania sugerują, że procesy te przebiesach komórkowych. Ponad to cykl wiązania i dysocjacji subgają zgodnie z opisanym powyżej mechanizmem cyklicznestratu białkowego przez Hsp70 jest precyzyjnie regulowago wiązania i uwalniania substratu białkowego regulowana na kilku poziomach. Po pierwsze, poprzez modyfikację
nym przez hydrolizę ATP. Reakcję rozpoczyna Mdj1 wiążąc
miejsca wiązania polipeptydu Hsp70 może rozróżniać okrezdenaturowane białko i przekazując je na Ssc1. Jednocześlone substraty białkowe lub też o wiązaniu określonych
śnie domena-J Mdj1 stymuluje ATPazę Hsp70 stabilizując
substratów może decydować białko typu-J wiążąc i dostarwiązanie substratu białkowego. Mge1 uwalnia ADP umożczając substrat do partnerskiego Hsp70. Po drugie, szybkość
liwiając zarówno wiązanie nowej cząsteczki ATP jak też dyi częstotliwość cyklu wiązania substratu białkowego może
socjację substratu białkowego, tym samym inicjując nowy
być regulowana poprzez oddziaływanie ze specyficznym
cykl wiązania substratu. Chociaż większość badań prowaczynnikiem wymiany nukleotydów. Funkcjonalnej różnodzono stosując modelowe substraty białkowe, zidentyfirodności białek Hsp70 sprzyja również to, że w przeciwieńkowano również kilka natywnych substratów białkowych
stwie do innych białek opiekuńczych funkcjonujących jako
systemu Ssc1/Mdj1/Mge1. Należy do nich mitochondrialoligomery złożone z kilku podjednostek, Hsp70 funkcjonują
na polimeraza DNA Mip1 oraz podjednostka rybosomu mijako monomery [3]. Dzięki temu ich nowe funkcje, na przytochondrialnego Var1 [17,19,20].
kład wiązanie białek innych niż substraty białkowe, nie są
ograniczane poprzez wymagania strukturalne niezbędne
Pomimo oczywistego podobieństwa systemów baktedo tworzenia stabilnych oligomerów. Te właściwości moryjnego i mitochondrialnego ten ostatni zaangażowany jest
gły doprowadzić to sytuacji, w której białka Hsp70 zaanrównież w funkcje typowe dla mitochondriów. System ten
gażowane są w wiele istotnych funkcji komórkowych nie
odpowiada za utrzymywanie i propagację mitochondrialzwiązanych z procesem fałdowania łańcuchów polipeptydowych uważanym za pierwotną funkcję białek opiekuńczych.
FUNKCJA I EWOLUCJA MITOCHONDRIALNYCH
SYSTEMÓW HSP70
PODSTAWOWY MITOCHONDRIALNY SYSTEM HSP70
Mitochondria powstały w procesie endosymbiozy
komórki będącej prawdopodobnie przedstawicielem
α-proteobakterii [13]. Nie zaskakuje więc fakt, że podstawowy mitochondrialny system Hsp70 jest blisko spokrewniony z bakteryjnymi białkami opiekuńczymi: Hsp70 DnaK,
białkiem typu-J DnaJ oraz czynnikiem wymiany nukleotydów GrpE [14]. U drożdży S. cerevisiae odpowiedniki tych
białek znane są jako Hsp70 Ssc1, białko typu-J Mdj1 oraz
czynnik wymiany nukleotydów Mge1 (Ryc. 4). Białka drożdżowe i bakteryjne charakteryzuje znaczny stopień podobieństwa zarówno strukturalnego jak też sekwencyjnego.
W niektórych przypadkach białka bakteryjne pochodzące
z E. coli mogą zastępować białka mitochondrialne i to zarówno w doświadczeniach biochemicznych jak też w żyjąPostępy Biochemii 62 (2) 2016
Rycina 4. Systemy Hsp70 funkcjonujące w macierzy mitochondrialnej drożdży
S. cerevisiae. Wielofunkcyjne Hsp70 Ssc1 współdziała z białkami typu-J; z Mdj1
w procesach fałdowania łańcuchów polipeptydowych białek oraz w utrzymywaniu i propagacji mtDNA, z Pam18 w procesie importu białek. Wyspecjalizowane
Hsp70 Ssq1, które powstało w wyniku duplikacji genu SSC1, współpracuje z Jac1
w procesie biogenezy centrów żelazo-siarkowych (FeS).
71
nego DNA [20,21]. To zaangażowanie może świadczyć o
tym, że system Ssc1/Mdj1/Mge1 ewoluował pod działaniem presji selekcyjnej wywołanej specyfiką funkcjonowania mitochondriów. Mitochondria posiadają własny genom
(mtDNA) kodujący ograniczoną liczbę białek mitochondrialnych, mitochondrialne tRNA oraz podjednostki mitochondrialnego rybosomu [22,23]. Utrzymanie i replikacja
mtDNA są warunkiem prawidłowego funkcjonowania
zarówno samych mitochondriów jak też komórki eukariotycznej. Za procesy te odpowiada kompleks białek związanych z mtDNA znany jako mitochondrialny nukleoid [22,
24]. Komponenty systemu Ssc1/Mdj1/Mge1 występują w
kompleksie nukleoidu podobnie jak wiele innych białek mitochondrialnych, których podstawowa aktywność nie jest w
oczywisty sposób powiązana z metabolizmem DNA [22,25].
Dotychczas niewiele wiadomo na temat roli tych białek w
utrzymywaniu i replikacji mtDNA.
Jednak w przypadku Mdj1 wyniki badań są jednoznaczne. Zarówno delecja genu kodującego Mdj1 jak też zamiana
sekwencji HPD domeny-J tego białka prowadzi do szybkiej
utraty mtDNA nawet w optymalnych warunkach hodowli
drożdży [21], w których mitochondrialna polimeraza DNA
jest w pełni aktywna [20]. Ponad to większość Mdj1 zlokalizowana jest w kompleksie nukleoidu prawdopodobnie
dzięki bezpośredniemu oddziaływaniu Mdj1 z mtDNA [21].
Chociaż molekularny mechanizm warunkujący udział Mdj1
w utrzymywaniu i replikacji mtDNA nie został dotychczas
poznany uzyskane wyniki sugerują, że wymaga on zarówno lokalizacji Mdj1 w obrębie kompleksu nukleoidu jak też
jego współpracy z partnerskim Hsp70 Ssc1 [21]. Można spekulować, że mechanizm ten polega na modyfikacji stabilności kompleksów białkowych zaangażowanych w przemiany mtDNA. Podobną aktywność wykazują homologiczne
białka bakteryjne (DnaK/DnaJ/GrpE), które w przypadku
replikacji DNA bakteriofaga λ, będącego pasożytem E. coli,
modyfikują stabilność kompleksu białek zaangażowanych
w inicjację replikacji fagowego DNA [26,27]. Aktywność ta
jest niezbędna dla namnażania wirusa w komórce bakteryjnej. Białka systemu Hsp70 uczestniczą również w procesie
replikacji genomu niektórych wirusów namnażających się
komórkach eukariotycznych [12].
WYSPECJALIZOWANY SYSTEM HSP70 ZAANGAŻOWANY
W IMPORT BIAŁEK DO MITOCHONDRIÓW
Chociaż podstawowy system Ssc1/Mdj1/Mge1 pełni
funkcje typowe dla białek opiekuńczych związane z fałdowaniem łańcuchów polipeptydowych białek substratowych
zarówno w warunkach fizjologicznych jak też stresowych
składniki tego systemu: Ssc1 i Mge1 zaangażowane są też w
inne procesy, w których współpracują z wyspecjalizowanymi białkami typu-J (Ryc. 4). Jednym z takich procesów jest
import białek do macierzy mitochondrialnej [28,29].
W procesie ewolucji mitochondriów wiele genów uległo
translokacji z genomu endosymbionta do genomu jądrowego komórki gospodarza. Chociaż geny zmieniły lokalizację to kodowane przez nie białka nadal funkcjonują w
mitochondriach. Było to możliwe dzięki powstaniu systemu
transportu białek z cytoplazmy do mitochondriów [30,31].
W procesie ewolucji tego systemu mitochondrialne Hsp70
(Ssc1 u S. cerevisiae) przyjęło funkcję czynnika bezpośrednio
72
odpowiedzialnego za transport polipeptydów przez kanał
wewnętrznej błony mitochondriów. W procesie tym wykorzystywana jest typowa aktywność Hsp70 czyli odwracalne
wiązanie substratów białkowych. Ssc1 wiąże hydrofobowe
sekwencje pojawiające się w miarę jak rozfałdowany polipeptyd przesuwa się przez kanał transportowy napędzany
różnicą potencjałów pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną
powierzchnią błony mitochondrialnej. Odwracalne wiązanie Ssc1 zapobiega cofaniu się łańcucha polipeptydowego
w kanale tym samym umożliwiając jego przesuwanie się do
wnętrza mitochondriów [29]. W procesie tym za stymulację
aktywności ATPazowej Ssc1 odpowiada wyspecjalizowane białko typu-J nazywane u S. cerevisiae Pam18 lub Tim14
[32,33]. Zaś inicjacja kolejnego cyklu wiązania polipeptydu
przez cząsteczkę Ssc1 stymulowana jest przez czynnik wymiany nukleotydu Mge1[34].
Pochodzenie ewolucyjne Pam18 jest nieznane. Wiadomo,
że jego odpowiedniki występują we wszystkich komórkach
eukariotycznych a ich unikatowa i zachowana w procesie
ewolucji struktura domenowa odróżnia je od innych białek
typu-J, z którymi łączy je jedynie obecność domeny-J [35,36].
W przeciwieństwie do Mdj1 czy DnaJ, Pam18 nie wiąże
substratu białkowego [32,33]. Dlatego jego jedyną funkcją
w procesie translokacji polipeptydu jest stymulacja aktywności ATPazowej mtHsp70, Ssc1. Struktura domenowa
Pam18 umożliwia jego efektywne funkcjonowanie w procesie importu polipeptydów. Domena-J zlokalizowana jest
w macierzy mitochondrialnej, zaś połączona z nią domena
transbłonowa lokalizuje Pam18 w błonie wewnętrznej mitochondriów [35]. Główny mechanizm lokalizujący Pam18
w bezpośredniej bliskości kanału transportowego polega
na oddziaływaniu z innym białkiem nazywanym Pam16
lub Tim16 [37]. Podobieństwo struktury i sekwencji białek
Pam 18 i 16 wskazuje na ich wspólne pochodzenie. Jednak
Pam 16 posiada zdegenerowaną domenę-J, w której brakuje sekwencji HPD tak więc białko to nie posiada zdolności
stymulacji ATPazy Ssc1 [38]. Zamiast tego Pam16 pełni rolę
strukturalną. N-końcowa domena Pam16 bezpośrednio oddziałuje z białkami kanału transportowego zaś domena-J
tego białka wiąże domeną-J białka Pam18 lokalizując je w
miejscu umożliwiającym jego funkcjonalne oddziaływanie
z Ssc1 [37]. Ewolucyjne pochodzenie Pam16 nie jest znane.
Jednak jego występowanie we wszystkich komórkach eukariotycznych sugeruje, że mechanizm lokalizacji Pam18
poprzez oddziaływanie z Pam16 jest ewolucyjnie stary [39].
Być może po duplikacji pierwotnego genu Pam18/16 jego
kopie uległy funkcjonalnemu różnicowaniu. Pam 18 zachował zdolności stymulacji ATPazy podczas gdy Pam16
wyspecjalizował się w oddziaływaniu z białkami kanału
transportowego. Tym samym w procesie ewolucji utrwalił
się skomplikowany mechanizm ich współdziałania umożliwiający efektywny transport polipeptydów przez kanał
wewnętrznej błony mitochondrialnej.
Kolejna duplikacja genu Pam18 legła u podstaw powstania dodatkowej domeny tego białka występującej u S. cerevisiae i innych blisko spokrewnionych gatunków drożdży
[35]. Oprócz opisanych powyżej domeny-J i domeny transbłonowej białko Pam18 drożdży posiada dodatkową domenę zlokalizowaną w przestrzeni międzybłonowej mitochondriów. Domena ta umożliwia bezpośrednie oddziaływanie
www.postepybiochemii.pl
pomiędzy Pam18 a białkiem kanału transportowego zlokalizowanym w przestrzeni międzybłonowej tym samym
dodatkowo stabilizując położenie Pam18 w bezpośrednim
sąsiedztwie kanału transportowego [40]. Pochodzenie ewolucyjne dodatkowej domeny międzybłonowej jest obiektem
spekulacji. Jedna z hipotez zakłada, że do powstania tej domeny doszło dzięki duplikacji genu Pam18 [35]. Druga kopia genu, nazywana Mdj2, różni się od Pam18 brakiem domeny międzybłonowej oraz tym, że jej delecja nie jest letalna a jedynie powoduje obniżone tempo wzrostu drożdży w
warunkach ściśle beztlenowych [32,33,35,40]. Być może po
duplikacji mutacja polegająca na przesunięciu ramki odczytu doprowadziła do powstania pierwotnej wersji domeny
międzybłonowej białka Pam18. Domena ta różnicowała się
stopniowo uzyskując zdolność oddziaływania z białkiem
kanału transportowego doprowadzając do wiodącej roli
Pam18 w procesie importu białek. Ten scenariusz ewolucyjny wymagał obecności funkcjonalnego białka Mdj2, które
na wczesnych etapach różnicowania domeny międzybłonowej zabezpieczało komórkę przed ewentualnym obniżenie
aktywności Pam18.
Lokalizacja Pam18 w okolicach kanału transportowego
może sugerować, że białko to samodzielnie rekrutuje Ssc1
do miejsca jego działania. Tymczasem za lokalizację Ssc1
odpowiada jego bezpośrednie oddziaływanie z białkiem
Tim44 będącym jednym z komponentów strukturalnych
kompleksu białek powiązanych z kanałem transportowym
[28,29]. Jako, że oddziaływanie Ssc1-Tim44 nie wykorzystuje typowego mechanizmu wiązania substratu białkowego
przez Hsp70 można przypuszczać, że jest to wtórna właściwość mitochondrialnego Hsp70, która ewoluowała pod
wpływem presji selekcyjnej na efektywny import białek
mitochondrialnych i nie była obecna u bakteryjnych przodków.
Podsumowując, dwie zmiany umożliwiły przekształcenie mitochondrialnego Hsp70 w kluczowy element systemu
odpowiedzialnego za import białek mitochondrialnych: (1)
wykorzystanie w tym procesie nowego wyspecjalizowanego białka typu-J oraz powstanie nowego oddziaływania
pomiędzy mitochondrialnym Hsp70 a białkiem Tim44.
Białko Tim44 jest cząsteczką o strukturze pierwszorzędowej zachowanej w ewolucji, składnikiem kompleksu białek
związanych z kanałem transportowym wewnętrznej błony
mitochondriów.
SYSTEM HSP70 ZAANGAŻOWANY
W MITOCHONDRIALNĄ BIOGENEZĘ
CENTRÓW ŻELAZO-SIARKOWYCH
Biorąc pod uwagę, że mitochondria odziedziczyły od
bakteryjnych przodków wiele szlaków biochemicznych
nie jest zaskakujące, że stanowią one metaboliczne centrum komórki eukariotycznej. Jedną z kluczowych funkcji
mitochondriów jest synteza centrów żelazo-siarkowych
(FeS) będących grupami prostetycznymi licznych białek komórkowych [41]. Centra FeS występują między innymi w
białkach mitochondrialnych zaangażowanych w proces fosforylacji oksydacyjnej oraz w wielu innych białkach zlokalizowanych we wszystkich przedziałach komórki eukariotycznej. U człowieka zaburzenie procesu mitochondrialnej
biogenezy FeS prowadzi do wielu schorzeń [42].
Postępy Biochemii 62 (2) 2016
Pośród trzech alternatywnych szlaków biogenezy FeS
obecnych u bakterii, tylko jeden nazywany ISC (ang. iron-sulfur-cluster) został odziedziczony przez mitochondria.
W tym szlaku centrum FeS jest najpierw syntetyzowane w
obrębie białka rusztowania IscU a następnie przenoszone
z IscU na białka docelowe. U bakterii w reakcji transferu
FeS uczestniczy wyspecjalizowany system białek Hsp70
składający się z białka Hsp70 HscA oraz białka typu-J HscB
[43]. Pochodzenie ewolucyjne tego systemu nie jest znane
ale jest on obecny we wszystkich gatunkach bakterii u których funkcjonuje szlak ISC [44]. Cechą odróżniającą go od
podstawowego systemu bakteryjnych białek Hsp70 DnaK/
DnaJ/GrpE jest wysoka specyficzność zarówno względem
substratu białkowego, którym jest wyłącznie IscU, jak również względem białka pomocniczego typu-J, którym jest
wyłącznie HscB. W przypadku HscA/HscB funkcjonowanie cyklu wiązania substratu białkowego nie wymaga
udziału czynnika wymiany nukleotydu [43]. Wynika to z
faktu, że HscA wiąże ATP mniej stabilnie niż DnaK i wymiana nukleotydu po zakończeniu cyklu oddziaływania z
IscU zachodzi spontanicznie.
Chociaż wiele bakterii oraz wszystkie eukarionty wykorzystują system Hsp70 do przeniesienia centrów FeS z
białka rusztowania na białka docelowe to zmiany w obrębie tego systemu, które obserwujemy w procesie ewolucji
mitochondriów, dobrze ilustrują zarówno plastyczność
jak też specjalizację jego komponentów. Mitochondria
odziedziczyły od bakteryjnych przodków większość ale
nie wszystkie komponenty białkowe szlaku ISC. Zarówno
białko rusztowanie (Isu u S. cerevisiae) oraz białko typu-J
(Jac1 u S. cerevisiae) obecne są u wszystkich eukariontów.
Tymczasem gen kodujący wyspecjalizowane Hsp70 HscA
został utracony w procesie ewolucji mitochondriów. Jego
odpowiednika (ortologa) nie zidentyfikowano w żadnym
z badanych dotychczas genomów eukariotycznych [45].
Większość eukariontów, w tym również człowiek, koduje
tylko jeden mitochondrialny Hsp70 blisko spokrewniony z
bakteryjnym białkiem DnaK [11]. Zebrane dotychczas dane
sugerują, że ten wielofunkcyjny mitochondrialny Hsp70 zastąpił w procesie biogenezy centrów FeS wyspecjalizowane
białko bakteryjne [46]. Podobnie jak jego bakteryjny odpowiednik mitochondrialny Hsp70 współpracuje z wyspecjalizowanym białkiem typu-J Jac1 co umożliwia wiązanie
białka rusztowania Isu a w konsekwencji transfer centrów
FeS na białka docelowe.
Ta historia ewolucyjna ma dalszy ciąg. Grupa gatunków
drożdży blisko spokrewnionych z S. cerevisiae posiada mitochondrialne białko Hsp70 Ssq1, które funkcjonuje wyłącznie w procesie biogenezy centrów FeS! Jak to jest możliwe?
Analiza ewolucyjna wykazała, że Ssq1 powstał ok. 400 mln
lat temu u wspólnego przodka Candida albicans i S. cerevisiae w wyniku duplikacji genu kodującego wielofunkcyjne
mitochondrialne Hsp70 [45]. Po duplikacji jedna kopia zachowała właściwości typowe dla mitochondrialnego Hsp70
funkcjonując w procesach fałdowanie łańcucha polipeptydowego białek, ochrony białek przed skutkami stresu,
imporcie białek mitochondrialnych i utrzymaniu mtDNA.
Druga kopia, uległa specjalizacji i funkcjonuje wyłącznie
w procesie biogenezy centrów FeS [11]. Wyspecjalizowane
73
białko Ssq1 charakteryzuje wysokie powinowactwo zarówno do białka typu-J Jac1 jak też do substratu białkowego Isu
[47-50]. Jednocześnie Ssq1 nie współpracuje z innymi białkami typu-J (Mdj1 i Pam18) oraz nie wiąże różnorodnych
substratów białkowych oddziałujących z wielofunkcyjnym mitochondrialnym Hsp70 [45,47]. Tym samym białko
Ssq1 upodobniło się biochemicznie do bakteryjnego HscA
wyspecjalizowanego w biogenezie centrów FeS. Jednak w
przeciwieństwie do HscA a podobnie do DnaK oraz do mitochondrialnego Hsp70 cykl wiązania substratu przez Ssq1
uzależniony jest od funkcji czynnika wymiany nukleotydu
Mge1 [47]. Specjalizacja Ssq1 to przykład ewolucyjnej konwergentnej na poziomie biochemicznym. Duplikacja genu
kodującego mitochondrialne Hsp70 umożliwiła odtworzenie wyspecjalizowanego systemu białek Hsp70, który funkcjonował u bakteryjnych przodków mitochondriów.
Pojawieniu się Ssq1 towarzyszyły zmiany strukturalne
współpracującego z nim białka typu-J Jac1 [51]. U gatunków, w których Jac1 współwystępuje z Ssq1 obserwuje się
zmiany struktury domeny-J. W szczególności skróceniu
uległy zarówno pętla łącząca α-helisy II i III jak też α-helisa
III (Ryc. 1). Badania biochemiczne pokazały, że te zmiany
strukturalne oraz liczne podstawienia aminokwasowe w
obrębie α-helisy II odpowiedzialne są za wysokie powinowactwo oddziaływania białek Jac1 i Ssq1[46]. Jest to unikatowy przykład ko-ewolucji białek systemu Hsp70 prowadzący do ich specjalizacji. Zmienione białko Jac1 niezbyt
efektywnie współpracuje z wielofunkcyjnym mitochondrialnym Hsp70.
Zarówno wyspecjalizowane jak też wielofunkcyjne białka Hsp70 wykorzystują do transferu centrów FeS typowy
mechanizm cyklicznego oddziaływania z substratem białkowym. W mitochondriach drożdży S. cerevisiae proces ten
inicjuje białko Jac1, które oprócz N-końcowej domeny-J posiada unikatową domenę C-końcową wyspecjalizowaną w
wiązaniu białka rusztowania Isu [52,53]. Molekularny mechanizm tego oddziaływania jest taki sam u bakteryjnych
i mitochondrialnych odpowiedników Jac1. Kompleks Jac1-Isu oddziałuje z Ssq1-ATP co prowadzi do stymulacji aktywności ATPazowej i stabilizacji wiązania Isu przez Ssq1
[47]. Chociaż molekularny mechanizm transferu centrum
nie został jeszcze poznany przypuszcza się, że zmiany konformacyjne w obrębie białka rusztowania Isu wywołane
jego oddziaływaniem z Ssq1 prowadzą do destabilizacji
wiązania centrum FeS i umożliwiają jego przekazanie na
białka docelowe[54]. W systemie mitochondrialnym czynnik wymiany nukleotydów Mge1 promuje uwolnienie Isu i
rozpoczęcie nowego cyklu wiązania [47]. Badania z wykorzystaniem drożdży S. cerevisiae pokazały również, że Jac1
nie tylko wiąże Isu ale również konkuruje o to wiązanie z
kompleksem białek odpowiedzialnych za syntezę FeS w obrębie Isu [55,56]. Ponad to Isu w kompleksie z Jac1 chronione jest przed proteolizą katalizowaną przez mitochondrialną proteazę Pim1 [57]. Z kolei Ssq1 ma zdolność bezpośredniego oddziaływania z jednym z białek docelowych Grx5
[58]. Sugeruje to, że białka systemu Hsp70 zaangażowane w
proces biogenezy centrów FeS posiadają aktywności biochemiczne wykraczające poza typowy mechanizm cyklicznego
wiązania substratu białkowego.
74
Dotychczas trudno odpowiedzieć na pytanie czy specjalizacja białka Hsp70 zaangażowanego w biogenezę centrów
FeS drożdży ma znaczenie adaptacyjne. Z jednej strony żaden z gatunków, które różnicowały się po duplikacji mitochondrialnego Hsp70 nie utracił genu kodującego Ssq1 [11]
z drugiej zaś strony większość eukariontów funkcjonuje bez
tego białka. Dalsze badania tego systemu powinny rzucić
nowe światło na funkcjonalne znaczenie różnicowania systemów Hsp70.
PODSUMOWANIE – WSZECHSTRONNOŚĆ SYSTEMÓW
HSP70 UMOŻLIWIA ICH WYKORZYSTANIE
W LICZNYCH PROCESACH BIOLOGICZNYCH
Ewolucyjna wszechstronność systemów Hsp70 opiera
się na dwóch podstawowych mechanizmach adaptacyjnych
(1) wysoce specyficznym oddziaływaniu z substratem białkowym uwarunkowanym albo bezpośrednią specjalizacją
oddziaływania białka Hsp70 z substratem (oddziaływanie
Ssq1-Isu) i/lub poprzez specyficzne oddziaływanie białek
typu-J z określonymi substratami kierowanymi następnie
do partnerskiego Hsp70 (oddziaływanie Jac1-Isu), (2) „rekrutacji” białka Hsp70 do miejsca jego działania albo poprzez bezpośrednie oddziaływanie Hsp70 z białkami nie
będącymi substratami białkowymi (oddziaływanie mitochondrialnego Hsp70 z Tim44) lub przez lokalizację odpowiedniego białka typu-J w miejscu działania Hsp70 (Mdj1
w kompleksie z mtDNA). Wymienione powyżej strategie ewolucyjne nie ograniczają się do mitochondrialnych
Hsp70, jednak system ten dobrze ilustruje mechanizmy
różnicowania Hsp70 wykorzystywane we wszystkich przedziałach komórki eukariotycznej.
PIŚMIENNICTWO
1. Kampinga HH, Craig EA (2010) The HSP70 chaperone machinery: J
proteins as drivers of functional specificity. Nat Rev Mol Cell Biol 11:
579-592
2. Mayer MP, Bukau B (2005) Hsp70 chaperones: cellular functions and
molecular mechanism. Cell Mol Life Sci 62: 670-684
3. Kim YE, Hipp MS, Bracher A, Hayer-Hartl M, Hartl FU (2013) Molecular chaperone functions in protein folding and proteostasis. Annu Rev
Biochem 82: 323-355
4. Zhuravleva A, Clerico EM, Gierasch LM (2012) An interdomain energetic tug-of-war creates the allosterically active state in Hsp70 molecular chaperones. Cell 151: 1296-1307
5. Qi R, Sarbeng EB, Liu Q, Le KQ, Xu X, Xu H, Yang J, Wong JL, Vorvis
C, Hendrickson WA, Zhou L, Liu Q (2013) Allosteric opening of the
polypeptide-binding site when an Hsp70 binds ATP. Nat Struct Mol
Biol 20: 900-907
6. Mapa K, Sikor M, Kudryavtsev V, Waegemann K, Kalinin S, Seidel
CA, Neupert W, Lamb DC, Mokranjac D (2010) The conformational
dynamics of the mitochondrial Hsp70 chaperone. Mol Cell 38: 89-100
7. Craig EA, Huang P, Aron R, Andrew A (2006) The diverse roles of Jproteins, the obligate Hsp70 co-chaperone. Rev Physiol Biochem Pharmacol 156: 1-21
8. Cyr DM (2008) Swapping nucleotides, tuning Hsp70. Cell 133: 945-947
9. Hennessy F, Nicoll WS, Zimmermann R, Cheetham ME, Blatch GL
(2005) Not all J domains are created equal: implications for the specificity of Hsp40-Hsp70 interactions. Prot Sci 14: 1697-1709
10.Hageman J, Kampinga HH (2009) Computational analysis of the human HSPH/HSPA/DNAJ family and cloning of a human HSPH/
HSPA/DNAJ expression library. Cell Stress Chaperones 14: 1-21
www.postepybiochemii.pl
11.Kominek J, Marszalek J, Neuveglise C, Craig EA, Williams BL (2013)
The complex evolutionary dynamics of Hsp70s: a genomic and functional perspective. Genome Biol Evol 5: 2460-2477
12.Mayer MP (2005) Recruitment of Hsp70 chaperones: a crucial part of
viral survival strategies. Rev Physiol Biochem Pharmacol 153: 1-46
13.Gray MW (2012) Mitochondrial evolution. Cold Spring Harb Perspect
Biol 4: a011403
14.Genevaux P, Georgopoulos C, Kelley WL (2007) The Hsp70 chaperone
machines of Escherichia coli: a paradigm for the repartition of chaperone functions. Mol Microbiol 66: 840-857
15.Deloche O, Liberek K, Zylicz M, Georgopoulos C (1997) Purification
and biochemical properties of Saccharomyces cerevisiae Mdj1p, the
mitochondrial DnaJ homologue. J Biol Chem 272: 28539-28544
16.Lisse T, Schwarz E (2000) Functional specificity of the mitochondrial
DnaJ protein, Mdj1p, in Saccharomyces cerevisiae. Mol Gen Genet 263:
527-534
17.Westermann B, Gaume B, Herrmann JM, Neupert W, Schwarz E
(1996) Role of the mitochondrial DnaJ homolog Mdj1p as a chaperone
for mitochondrially synthesized and imported proteins. Mol Cell Biol
16: 7063-7071
18.Prip-Buus C, Westerman B, Schmitt M, Langer T, Neupert W, Schwarz
E (1996) Role of the mitochondrial DnaJ homologue, Mdj1p, in the prevention of heat-induced protein aggregation. FEBS Lett 380: 142-146
19.Germaniuk A, Liberek K, Marszalek J (2002) A bichaperone (Hsp70Hsp78) system restores mitochondrial DNA synthesis following thermal inactivation of Mip1p polymerase. J Biol Chem 277: 27801-27808
20.Duchniewicz M, Germaniuk A, Westermann B, Neupert W, Schwarz
E, Marszalek J (1999) Dual role of the mitochondrial chaperone Mdj1p
in inheritance of mitochondrial DNA in yeast. Mol Cell Biol 19:
8201-8210
21.Ciesielski GL, Plotka M, Manicki M, Schilke BA, Dutkiewicz R, Sahi
C, Marszalek J, Craig EA (2013) Nucleoid localization of Hsp40 Mdj1
is important for its function in maintenance of mitochondrial DNA.
Biochim Biophys Acta 1833: 2233-2243
22.Chen XJ, Butow RA (2005) The organization and inheritance of the mitochondrial genome. Nat Rev Genet 6: 815-825
23.Holt IJ (2010) Zen and the art of mitochondrial DNA maintenance.
Trends Genet 26: 103-109
24.Spelbrink JN (2010) Functional organization of mammalian mitochondrial DNA in nucleoids: history, recent developments, and future challenges. IUBMB Life 62: 19-32
25.Macierzanka M, Plotka M, Pryputniewicz-Drobinska D, Lewandowska A, Lightowlers R, Marszalek J (2008) Maintenance and stabilization of mtDNA can be facilitated by the DNA-binding activity of Ilv5p.
Biochim Biophys Acta 1783: 107-117
26.Liberek K, Georgopoulos C, Zylicz M (1988) Role of the Escherichia
coli DnaK and DnaJ heat shock proteins in the initiation of bacteriophage lambda DNA replication. Proc Nat Acad Sci USA 85: 6632-6636
27.Konieczny I, Marszalek J (1995) The requirement for molecular chaperones in lambda DNA replication is reduced by the mutation pi in
lambda P gene, which weakens the interaction between lambda P
protein and DnaB helicase. J Biol Chem 270: 9792-9799
28.Chacinska A, Koehler CM, Milenkovic D, Lithgow T, Pfanner N (2009)
Importing mitochondrial proteins: machineries and mechanisms. Cell
138: 628-644
29.Neupert W, Herrmann JM (2007) Translocation of proteins into mitochondria. Annu Rev Biochem 76: 723-749
30.Dolezal P, Likic V, Tachezy J, Lithgow T (2006) Evolution of the molecular machines for protein import into mitochondria. Science 313:
314-318
31.Tong J, Dolezal P, Selkrig J, Crawford S, Simpson AG, Noinaj N, Buchanan SK, Gabriel K, Lithgow T (2011) Ancestral and derived protein
import pathways in the mitochondrion of Reclinomonas americana. Mol
Biol Evol 28: 1581-1591
32.Mokranjac D, Sichting M, Neupert W, Hell K (2003) Tim14, a novel
key component of the import motor of the TIM23 protein translocase
of mitochondria. EMBO J 22: 4945-4956
Postępy Biochemii 62 (2) 2016
33.D’silva PD, Schilke B, Walter W, Andrew A, Craig EA (2003) J protein
c ochaperone of the mitochondrial inner membrane required for protein import into the mitochondrial matrix. Proc Nat Acad Sci USA 100:
13839-13844
34.Liu Q, D’silva P, Walter W, Marszalek J, Craig EA (2003) Regulated
cycling of mitochondrial Hsp70 at the protein import channel. Science
300: 139-141
35.Hayashi M, Schilke B, Marszalek J, Williams B, Craig EA (2011) Ancient gene duplication provided a key molecular step for anaerobic
growth of baker’s yeast. Mol Biol Evol 28: 2005-2017
36.Chen X, Ghazanfar B, Khan AR, Hayat S, Cheng Z (2013) Comparative analysis of putative orthologues of mitochondrial import motor
subunit: Pam18 and Pam16 in plants. PLoS One 8: e78400
37.Mokranjac D, Bourenkov G, Hell K, Neupert W, Groll M (2006) Structure and function of Tim14 and Tim16, the J and J-like components of
the mitochondrial protein import motor. EMBO J 25: 4675-4685
38.Li Y, Dudek J, Guiard B, Pfanner N, Rehling P, Voos W (2004) The
presequence translocase-associated protein import motor of mitochondria. Pam16 functions in an antagonistic manner to Pam18. J Biol
Chem 279: 38047-38054
39.Sinha D, Joshi N, Chittoor B, Samji P, D’silva P (2010) Role of Magmas
in protein transport and human mitochondria biogenesis. Hum Mol
Genet 19: 1248-1262
40.Chacinska A, Lind M, Frazier AE, Dudek J, Meisinger C, Geissler A,
Sickmann A, Meyer HE, Truscott KN, Guiard B, Pfanner N, Rehling
P (2005) Mitochondrial presequence translocase: switching between
TOM tethering and motor recruitment involves Tim21 and Tim17. Cell
120: 817-829
41.Lill R, Hoffmann B, Molik S, Pierik AJ, Rietzschel N, Stehling O, Uzarska MA, Webert H, Wilbrecht C, Muhlenhoff U (2012) The role of mitochondria in cellular iron-sulfur protein biogenesis and iron metabolism. Biochim Biophys Acta 1823: 1491-1508
42.Beilschmidt LK, Puccio HM (2014) Mammalian Fe-S cluster biogenesis
and its implication in disease. Biochimie 100: 48-60
43.Vickery LE, Cupp-Vickery JR (2007) Molecular chaperones HscA/
Ssq1 and HscB/Jac1 and their roles in iron-sulfur protein maturation.
Crit Rev Biochem Mol Biol 42: 95-111
44.Huynen MA, Snel B, Bork P, Gibson TJ (2001) The phylogenetic distribution of frataxin indicates a role in iron-sulfur cluster protein assembly. Hum Mol Genet 10: 2463-2468
45.Schilke B, Williams B, Knieszner H, Pukszta S, D’silva P, Craig EA,
Marszalek J (2006) Evolution of mitochondrial chaperones utilized in
Fe-S cluster biogenesis. Curr Biol 16: 1660-1665
46.Delewski W, Paterkiewicz B, Manicki M, Schilke B, Tomiczek B,
Ciesielski SJ, Nierzwicki L, Czub J, Dutkiewicz R, Craig EA, Marszalek
J (2016) Iron-sulfur cluster biogenesis chaperones: evidence for emergence of mutational robustness of a highly specific protein-protein interaction. Mol Biol Evol 33: 643-656
47.Dutkiewicz R, Schilke B, Knieszner H, Walter W, Craig EA, Marszalek
J (2003) Ssq1, a mitochondrial Hsp70 involved in iron-sulfur (Fe/S)
center biogenesis. Similarities to and differences from its bacterial
counterpart. J Biol Chem 278: 29719-29727
48.Dutkiewicz R, Schilke B, Cheng S, Knieszner H, Craig EA, Marszalek J
(2004) Sequence-specific interaction between mitochondrial Fe-S scaffold protein Isu and Hsp70 Ssq1 is essential for their in vivo function. J
Biol Chem 279: 29167-29174
49.Knieszner H, Schilke B, Dutkiewicz R, D’silva P, Cheng S, Ohlson M,
Craig EA, Marszalek J (2005) Compensation for a defective interaction
of the hsp70 ssq1 with the mitochondrial Fe-S cluster scaffold isu. J Biol
Chem 280: 28966-28972
50.Dutkiewicz R, Marszalek J, Schilke B, Craig EA, Lill R, Muhlenhoff U
(2006) The Hsp70 chaperone Ssq1p is dispensable for iron-sulfur cluster formation on the scaffold protein Isu1p. J Biol Chem 281: 7801-7808
51.Pukszta S, Schilke B, Dutkiewicz R, Kominek J, Moczulska K, Stepien
B, Reitenga KG, Bujnicki JM, Williams B, Craig EA, Marszalek J (2010)
Co-evolution-driven switch of J-protein specificity towards an Hsp70
partner. EMBO Reports 11: 360-365
75
52.Andrew AJ, Dutkiewicz R, Knieszner H, Craig EA, Marszalek J (2006)
Characterization of the interaction between the J-protein Jac1p and
the scaffold for Fe-S cluster biogenesis, Isu1p. J Biol Chem 281: 1458014587
53.Ciesielski SJ, Schilke BA, Osipiuk J, Bigelow L, Mulligan R, Majewska
J, Joachimiak A, Marszalek J, Craig EA, Dutkiewicz R (2012) Interaction of J-protein co-chaperone Jac1 with Fe-S scaffold Isu is indispensable in vivo and conserved in evolution. J Mol Biol 417: 1-12
54.Chandramouli K, Johnson MK (2006) HscA and HscB stimulate [2Fe2S] cluster transfer from IscU to apoferredoxin in an ATP-dependent
reaction. Biochemistry 45: 11087-11095
55.Majewska J, Ciesielski SJ, Schilke B, Kominek J, Blenska A, Delewski
W, Song JY, Marszalek J, Craig EA, Dutkiewicz R (2013) Binding of
the chaperone Jac1 protein and cysteine desulfurase Nfs1 to the ironsulfur cluster scaffold Isu protein is mutually exclusive. J Biol Chem
288: 29134-29142
56.Manicki M, Majewska J, Ciesielski S, Schilke B, Blenska A, Kominek J,
Marszalek J, Craig EA, Dutkiewicz R (2014) Overlapping binding sites
of the frataxin homologue assembly factor and the heat shock protein
70 transfer factor on the Isu iron-sulfur cluster scaffold protein. J Biol
Chem 289: 30268-30278
57.Ciesielski SJ, Schilke B, Marszalek J, Craig EA (2016) Protection of scaffold protein Isu from degradation by the Lon protease Pim1 as a component of Fe-S cluster biogenesis regulation. Molecular Biol Cell (in
press)
58.Uzarska MA, Dutkiewicz R, Freibert SA, Lill R, Muhlenhoff U (2013)
The mitochondrial Hsp70 chaperone Ssq1 facilitates Fe/S cluster
transfer from Isu1 to Grx5 by complex formation. Mol Biol Cell 24:
1830-1841
Mitochondrial Hsp70 – function and evolution
Jaroslaw Marszalek
Laboratory of Evolutionary Biochemistry, Intercollegiate Faculty of Biotechnology, University of Gdansk and Medical University of Gdansk, 8
Antoniego Abrahama St., 80-307 Gdansk, Poland

e-mail: [email protected]
Key words: J-protein co-chaperones, mitochondrial DNA, mitochondrial protein import, iron-sulfur clusters, protein evolution
ABSTRACT
Hsp70 molecular chaperones function in variety of critical cellular processes, including protein folding, translocation of proteins across membranes and assembly/disassembly of protein complexes. Hsp70 systems consist of a core Hsp70 protein and its co-chaperones: J-protein and
nucleotide release factor NRF. These co-chaperones regulate the cycle of interaction with protein substrate via stimulating the ATPase activity
of Hsp70 (J-protein) and promoting nucleotide exchange (NRF). Compartments within the eukaryotic cell often contain multiple Hsp70s,
J-proteins and NRFs. The capabilities of these systems to carry out diverse cellular functions results from either specialization of an Hsp70
or by interaction of multifunctional Hsp70 with an array of specialized J-proteins. The well-studied Hsp70 systems of yeast mitochondria
provide an excellent example of functional divergence and evolution of Hsp70 machineries.
76
www.postepybiochemii.pl