بشکه دو محفظه‌ای GroEL/GroES: هیدرولیز ATP چگونه پلی‌پپتیدهای بدتاخورده را تا می‌کند

سال‌هاست که زیست‌شناسان ساختاری و بیوشیمی‌دانان بر سر نقش دقیق کمپلکس چاپرونین GroEL/GroES در نجات پروتئین‌های بدتاخورده بحث می‌کنند. یک گروه، به رهبری محققانی که ترمودینامیک این سیستم را مطالعه می‌کنند، استدلال می‌کنند که GroEL به عنوان یک ماشین بازپخت (annealing) فعال عمل می‌کند. در این دیدگاه، انرژی حاصل از هیدرولیز ATP مستقیماً برای باز کردن اجباری واسطه‌های بدتاخورده و به دام افتاده استفاده می‌شود و به آن‌ها شانس دوباره‌ای برای رسیدن به حالت بومی خود می‌دهد. در مقابل، گروهی دیگر ادعا می‌کنند که این چاپرونین صرفاً یک «قفس آنفینسن» (Anfinsen cage) غیرفعال است. بر اساس این مدل، این کمپلکس تنها یک محیط مجزا و آب‌دوست فراهم می‌کند که در آن یک پلی‌پپتید می‌تواند بدون خطر تجمع با سایر پروتئین‌های سلولی، خودبه‌خود تا شود و هیدرولیز ATP صرفاً به عنوان یک زمان‌سنج مکانیکی برای بیرون راندن سوبسترا عمل می‌کند.[1][4]

اهمیت این بحث بسیار فراتر از بیوشیمی باکتریایی است. سیستم GroEL/GroES، یک ماشین مولکولی بسیار حفاظت‌شده که در باکتری‌ها یافت می‌شود و از نظر ساختاری مشابه کمپلکس HSP60/HSP10 در میتوکندری انسان است، دفاع اصلی سلول در برابر تجمع پروتئین به شمار می‌رود. هنگامی که پروتئین‌ها بد تا می‌شوند، نواحی چسبناک و آب‌گریز خود را در معرض دید قرار می‌دهند که به هم می‌چسبند؛ فرآیندی که در آسیب‌شناسی‌های شدید انسانی از جمله بیماری‌های آلزایمر و پارکینسون نقش دارد. درک اینکه آیا ماشین نجات اختصاصی سلول فعالانه این اشکال سمی را تغییر شکل می‌دهد یا صرفاً آن‌ها را قرنطینه می‌کند، تعیین‌کننده نحوه طراحی درمان‌های آینده برای تقویت این دفاع طبیعی است.[9][10]

ساختار فیزیکی کمپلکس GroEL/GroES شگفتی مهندسی در مقیاس نانو است. همان‌طور که پل سیگلر (Paul Sigler) و همکارانش در ساختار کریستالی برجسته خود در سال ۱۹۹۷ تعیین کردند، GroEL یک استوانه عظیم دو حلقه‌ای با ۱۴ زیرواحد تشکیل می‌دهد. هر یک از دو حلقه هفت‌تایی پشت به پشت هم قرار می‌گیرند و یک حفره مرکزی ایجاد می‌کنند. هر زیرواحد منفرد به سه دامنه مجزا تقسیم می‌شود: یک دامنه استوایی که به ATP متصل می‌شود، یک ناحیه لولای میانی، و یک دامنه راسی که پروتئین بدتاخورده را به دام می‌اندازد. کل این بشکه آماده دریافت سوبسترا است، اما نمی‌تواند چرخه تاخوردگی خود را بدون درپوش خود، یعنی کو-چاپرونین هفت زیرواحدی GroES، کامل کند.[3][9]

چرخه زمانی آغاز می‌شود که یک پلی‌پپتید بدتاخورده یا تا حدی تاخورده وارد حلقه باز GroEL می‌شود. دامنه‌های راسی حلقه GroEL یک لبه پیوسته از بقایای اسید آمینه آب‌گریز را در معرض دید قرار می‌دهند. از آنجا که پروتئین‌های بدتاخورده هسته‌های آب‌گریز خود را به طور نامناسبی در معرض دید قرار می‌دهند، بلافاصله توسط این لبه چسبناک جذب می‌شوند. این اتصال اولیه به طرز چشمگیری محکم است؛ تحلیل‌های بیوشیمیایی توسط اف.یو. هارتل (F.U. Hartl) و همکارانش نشان داد که GroEL آزاد می‌تواند تاخوردگی خودبه‌خودی پروتئین مدل بارناز (barnase) را با ضریب ۴۰۰ به تاخیر بیندازد. در این مرحله، سوبسترا محکم لنگر انداخته است و از تعامل آن با سایر پروتئین‌ها و تشکیل توده‌های غیرقابل برگشت جلوگیری می‌شود.[4][7]

گذار حیاتی با اتصال ATP و درپوش GroES رخ می‌دهد. هفت مولکول ATP به دامنه‌های استوایی حلقه سیس (cis) حاوی سوبسترا متصل می‌شوند. این اتصال نوکلئوتیدی باعث یک تغییر آلوستریک چشمگیر می‌شود. دامنه‌های میانی به عنوان لولا عمل کرده و دامنه‌های راسی را ۶۰ درجه به سمت بالا و بیرون می‌چرخانند و آن‌ها را ۹۰ درجه می‌پیچانند. این تغییر ساختاری عظیم، که حجم حفره مرکزی را دو برابر می‌کند، به طور همزمان وصله‌های اتصال آب‌گریز را پنهان کرده و یک پوشش داخلی بسیار آب‌دوست را در معرض دید قرار می‌دهد.[2][3]

یک تحلیل ساختاری دقیق که در سال ۲۰۰۱ در نشریه Chemical Reviews منتشر شد، خاطرنشان می‌کند: «اتصال GroES با یک تغییر ساختاری بزرگ در دامنه راسی حلقه سیس همراه است که منجر به بزرگ شدن ۲ برابری حفره اتصال مرکزی می‌شود.» با برداشته شدن گیره‌های آب‌گریز، پروتئین بدتاخورده به زور از لبه به بیرون رانده شده و به داخل محفظه تازه تشکیل‌شده و سازگار با آب رها می‌شود. اکنون پروتئین که در زیر درپوش GroES محبوس شده است، خود را در یک سلول انفرادی می‌یابد که برای تاخوردگی بهینه‌سازی شده است.[3]

در داخل این قفس آنفینسن، پلی‌پپتید تقریباً ۱۰ تا ۱۵ ثانیه فرصت دارد تا تا شود. این مدت زمان به شدت توسط فعالیت ATPase دامنه‌های استوایی GroEL کنترل می‌شود. هیدرولیز هفت مولکول ATP به ADP به عنوان یک زمان‌سنج مولکولی عمل می‌کند. هنگامی که ATP مصرف می‌شود، میل ساختاری حلقه سیس برای درپوش GroES ضعیف می‌شود. با این حال، درپوش بلافاصله باز نمی‌شود. برای آغاز آزادسازی، به سیگنالی از حلقه ترانس (trans) مقابل نیاز است.[5][6]

ارتباط آلوستریک بین دو حلقه تضمین می‌کند که ماشین به طور کارآمد عمل کند. هنگامی که یک پروتئین بدتاخورده جدید و هفت مولکول ATP جدید به حلقه ترانس متصل می‌شوند، یک سیگنال ساختاری در سراسر رابط استوایی منتقل می‌شود. این سیگنال حلقه سیس را ترغیب می‌کند تا ADP خود و درپوش GroES را آزاد کند. محفظه باز می‌شود و پروتئین محبوس‌شده - چه با موفقیت به حالت بومی خود تا شده باشد و چه هنوز تا حدی بدتاخورده باشد - دوباره به محیط سلولی پرتاب می‌شود. اگر پروتئین همچنان بدتاخورده باقی بماند، به سرعت دوباره به یک حلقه باز GroEL متصل می‌شود تا چرخه دیگری را طی کند.[3][8]

با بازگشت به اختلاف نظر اصلی، شواهد فزاینده‌ای از نسخه‌های ظریف‌تر هر دو مدل فعال و غیرفعال پشتیبانی می‌کنند. محققانی که از مکانیسم بازپخت فعال دفاع می‌کنند، به نیروهای مکانیکی اعمال‌شده در طول تغییر ساختاری اشاره می‌کنند. هنگامی که دامنه‌های راسی پس از اتصال GroES می‌پیچند و بالا می‌روند، پلی‌پپتید متصل‌شده را پیش از رها کردن در محفظه، به طور فیزیکی می‌کشند. این عمل کششی می‌تواند واسطه‌هایی را که از نظر سینتیکی به دام افتاده‌اند باز کند و به طور موثر از انرژی اتصال ATP برای غلبه بر موانع انرژی که پروتئین به تنهایی نمی‌توانست بر آن‌ها غلبه کند، استفاده کند.[4][7]

یک مطالعه محوری توسط ام.کی. هایر-هارتل (M.K. Hayer-Hartl) و همکارانش نتیجه‌گیری کرد: «چاپرون مولکولی به عنوان ترکیبی از قفس تاخوردگی و ماشین بازپخت عمل می‌کند.» آن‌ها مشاهده کردند که پروتئین‌هایی که به کندی تا می‌شوند وارد چرخه‌های بازپخت و تاخوردگی می‌شوند، جایی که آزادسازی و اتصال مجدد گذرا GroES، گذرهای متوالی از حالت‌های اتصال ضعیف‌تر به حالت‌های اتصال محکم‌تر را پمپاژ می‌کند. این فرآیند تکراری نشان می‌دهد که ماشین به جای اینکه صرفاً منتظر تا شدن سوبسترا بماند، فعالانه روی آن کار می‌کند.[4]

در مقابل، طرفداران مدل قفس غیرفعال تاکید می‌کنند که فرآیند واقعی تاخوردگی در حالی رخ می‌دهد که پروتئین به صورت آزادانه در داخل محفظه آب‌دوست شناور است و از دیواره‌های GroEL جدا شده است. آن‌ها استدلال می‌کنند که انرژی هیدرولیز ATP به پروتئین در حال تاخوردن منتقل نمی‌شود، بلکه صرفاً برای تغییرات ساختاری مورد نیاز برای چرخش درپوش GroES مصرف می‌شود. در واقع، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که تحت شرایط مصنوعی خاص، اتصال و آزادسازی GroES می‌تواند تاخوردگی با واسطه GroEL را حتی در غیاب هیدرولیز ATP هدایت کند، مشروط بر اینکه ADP برای تسهیل تغییرات ساختاری حضور داشته باشد.[1][2]

محققان در نشریه The EMBO Journal گزارش دادند: «ما نتیجه می‌گیریم که نه انرژی هیدرولیز ATP و نه جفت‌شدگی آلوستریک دو حلقه GroEL مستقیماً برای تاخوردگی پروتئین با واسطه GroEL/GroES مورد نیاز نیستند. مکانیسم حداقلی واکنش، اتصال و آزادسازی GroES به حلقه حاوی پلی‌پپتید GroEL است که در نتیجه قفس تاخوردگی GroEL را بسته و باز می‌کند.» در این دیدگاه، هیدرولیز ATP یک بهینه‌سازی تکاملی است که تضمین می‌کند چرخه با سرعت فیزیولوژیکی مرتبط پیش می‌رود، نه اینکه یک الزام ترمودینامیکی برای خود رویداد تاخوردگی باشد.[1]

تلفیق این دیدگاه‌ها نشان می‌دهد که GroEL/GroES یک ماشین بسیار سازگار است که مداخله خود را بر اساس سوبسترا تنظیم می‌کند. برای پروتئین‌های کوچک و با تاخوردگی سریع، این کمپلکس ممکن است در واقع در درجه اول به عنوان یک سپر غیرفعال در برابر تجمع عمل کند. اما برای پروتئین‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر که مستعد افتادن در تله‌های سینتیکی عمیق هستند، کشش مکانیکی در طول محبوس شدن و چرخه‌های تکراری اتصال و آزادسازی، یک مکانیسم نجات فعال و مبتنی بر انرژی را فراهم می‌کند. این قابلیت دوگانه، چاپرونین را به یک جزء ضروری در هموستاز سلولی تبدیل می‌کند.[6][10]

با پیشرفت زیست‌شناسی ساختاری با ابزارهایی مانند میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM)، نوسانات دینامیکی کمپلکس GroEL/GroES با وضوح بیشتری در حال نمایان شدن است. توانایی تجسم این ماشین‌ها در حال حرکت، و نه فقط در حالت‌های کریستالی ایستا، نویدبخش رفع ابهامات باقی‌مانده در مورد چگونگی هم‌افزایی نیروی مکانیکی و محیط شیمیایی برای حل مسئله تاخوردگی پروتئین است. پارامترهای دقیق این موتور در مقیاس نانو در نهایت تعیین خواهد کرد که دانشمندان چگونه چاپرون‌های مصنوعی را برای مداخلات پزشکی مهندسی کنند.[5][10]