البروتين المرافق

في علم الأحياء الجزيئي ، تُعرف البروتينات المرافقة بأنها بروتينات تُساعد في طي أو فك بنية البروتينات أو معقدات البروتينات الجزيئية الكبيرة . توجد عدة فئات من البروتينات المرافقة، جميعها تعمل على مساعدة البروتينات الكبيرة في طيها بشكل صحيح أثناء أو بعد عملية التخليق، وبعد التمسخ الجزئي. كما تُشارك البروتينات المرافقة في نقل البروتينات لتحللها .

كانت أولى البروتينات المرافقة الجزيئية المكتشفة نوعًا من البروتينات المرافقة للتجميع، والتي تساعد في تجميع النيوكليوسومات من الهستونات المطوية والحمض النووي . ^{[ 1 ] [ 2 ]} تتمثل إحدى الوظائف الرئيسية للبروتينات المرافقة الجزيئية في منع تكتل البروتينات المطوية بشكل خاطئ، ولذلك تُصنف العديد من البروتينات المرافقة على أنها بروتينات صدمة حرارية ، حيث يزداد ميل البروتينات للتكتل بفعل الإجهاد الحراري.

لا تُقدّم غالبية البروتينات المرافقة الجزيئية أي معلومات فراغية لطي البروتين، بل تُساعد في عملية الطي عن طريق الارتباط بالبروتينات الوسيطة وتثبيتها حتى اكتمال ترجمة سلسلة الببتيد . يختلف نمط عمل البروتينات المرافقة باختلاف البروتينات المستهدفة وموقعها. وقد طُبّقت مناهج متنوعة لدراسة بنية البروتينات المرافقة وديناميكيتها ووظائفها. وقد أفادتنا القياسات الكيميائية الحيوية الشاملة في فهم كفاءة طي البروتين، ومنع التكتل عند وجود البروتينات المرافقة أثناء عملية الطي. كما ساهمت التطورات الحديثة في تحليل الجزيئات المفردة ^{[ 3 ]} في فهم التباين البنيوي للبروتينات المرافقة، والبروتينات الوسيطة في عملية الطي، وميل البروتينات المرافقة لسلاسل البروتين غير المنظمة والمنظمة.

العديد من البروتينات المرافقة هي بروتينات صدمة حرارية ، أي بروتينات تُعبَّر استجابةً لارتفاع درجات الحرارة أو غيرها من الضغوط الخلوية. ^{[ 4 ]} تُصنَّف البروتينات المرافقة لبروتينات الصدمة الحرارية بناءً على أوزانها الجزيئية المُلاحَظة إلى Hsp60 و Hsp70 وHsp90 وHsp104 وبروتينات الصدمة الحرارية الصغيرة. ^{[ 5 ]} تُسمى عائلة Hsp60 من البروتينات المرافقة بالشابرونينات ، وتتميز ببنية حلقية مزدوجة متراصة، وتوجد في بدائيات النوى، وفي سيتوبلازم حقيقيات النوى، وفي الميتوكوندريا.

تعمل بعض أنظمة البروتينات المرافقة كإنزيمات طي : فهي تدعم طي البروتينات بطريقة تعتمد على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (على سبيل المثال، نظام GroEL / GroES أو نظام DnaK / DnaJ / GrpE ). على الرغم من أن معظم البروتينات المُصنّعة حديثًا يمكنها الطي في غياب البروتينات المرافقة، إلا أن نسبة ضئيلة منها تتطلبها بشكلٍ أساسي. تعمل بروتينات مرافقة أخرى كإنزيمات تثبيت : فهي ترتبط بالبروتينات الوسيطة أثناء الطي لمنع تجمعها، على سبيل المثال DnaJ أو Hsp33 . ^{[ 6 ]} يمكن للبروتينات المرافقة أيضًا أن تعمل كإنزيمات تفكيك التجمعات، حيث تتفاعل مع تجمعات البروتينات الشاذة وتعيدها إلى جزيئات أحادية. ^{[ 7 ]} يمكن لبعض البروتينات المرافقة أن تساعد في تحلل البروتينات، مما يؤدي إلى دخولها إلى أنظمة البروتياز ، مثل نظام اليوبيكويتين-بروتيازوم في حقيقيات النوى . ^{[ 8 ]} تشارك البروتينات المرافقة في طي أكثر من نصف جميع بروتينات الثدييات.

قد يكون الازدحام الجزيئي الكبير مهمًا في وظيفة البروتينات المرافقة. إذ يُمكن للبيئة المزدحمة في السيتوسول تسريع عملية الطي، لأن البروتين المطوي المضغوط يشغل حجمًا أقل من سلسلة البروتين غير المطوية. ^{[ 9 ]} مع ذلك، يُمكن أن يُقلل الازدحام من إنتاجية البروتين المطوي بشكل صحيح عن طريق زيادة تكتل البروتينات . ^{[ 10 ] [ 11 ]} كما يُمكن أن يزيد الازدحام من فعالية البروتينات المرافقة مثل GroEL ، ^{[ 12 ]} مما قد يُعاكس هذا الانخفاض في كفاءة الطي. ^{[ 13 ]} تنقل بعض "البروتينات المرافقة الفراغية" عالية التخصص معلومات هيكلية فريدة إلى البروتينات، التي لا يُمكن طيها تلقائيًا. تُخالف هذه البروتينات مبدأ أنفينسن ، ^{[ 14 ]} الذي يتطلب ديناميكيات البروتين للطي بشكل صحيح.

تشارك أنواع أخرى من البروتينات المرافقة في النقل عبر الأغشية ، مثل أغشية الميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية في حقيقيات النوى . يحافظ بروتين SecB المرافق الخاص بنقل البروتينات في البكتيريا على سلاسل عديد الببتيد الأولية المُصنّعة حديثًا في حالة قابلة للنقل ( عادةً ما تكون غير مطوية ) ويوجهها إلى جهاز النقل . ^{[ 15 ]}

لا تزال تُكتشف وظائف جديدة للبروتينات المرافقة، مثل نشاط الالتصاق البكتيري ، وتحفيز التجمع نحو تجمعات غير أميلويدية، ^{[ 16 ]} وكبح تجمعات البروتين السامة عبر تكتلها، ^{[ 17 ] [ 18 ]} والاستجابة للأمراض المرتبطة بتجمع البروتين ^{[ 19 ]} والحفاظ على السرطان. ^{[ 20 ]}

في خطوط الخلايا البشرية، وُجد أن البروتينات المرافقة تشكل حوالي 10٪ من كتلة البروتينات الإجمالية، ^{[ 21 ]} ويتم التعبير عنها بشكل واسع النطاق وعالي في جميع الأنسجة البشرية.

توجد البروتينات المرافقة بكثرة في الشبكة الإندوبلازمية (ER)، حيث أن تخليق البروتين يحدث غالبًا في هذه المنطقة.

توجد عائلات عديدة من البروتينات المرافقة؛ تعمل كل عائلة منها على تسهيل طي البروتين بطريقة مختلفة. في بكتيريا مثل الإشريكية القولونية ، يتم التعبير عن العديد من هذه البروتينات بكثافة عالية في ظروف الإجهاد الشديد، على سبيل المثال، عند وضع البكتيريا في درجات حرارة مرتفعة، ولذلك فإن بروتينات الصدمة الحرارية المرافقة هي الأكثر انتشارًا.

تُستخدم تسميات متنوعة للبروتينات المرافقة. فبروتينات الصدمة الحرارية، تُشتق أسماؤها عادةً من "Hsp" متبوعةً بالكتلة الجزيئية التقريبية بالكيلودالتون ؛ وتُستخدم هذه التسميات بشكل شائع للكائنات حقيقية النواة مثل الخميرة. أما أسماء البكتيريا فلها أشكال أكثر تنوعًا، وتشير مباشرةً إلى وظيفتها الظاهرة عند اكتشافها. على سبيل المثال، "GroEL" اختصارٌ في الأصل لـ "خلل نمو العاثية، الذي يتم التغلب عليه عن طريق طفرة في جين العاثية E، الوحدة الفرعية الكبيرة". ^{[ 25 ]}

Hsp70 و Hsp40

يُعدّ بروتين Hsp70 (المعروف باسم DnaK في بكتيريا الإشريكية القولونية ) من أفضل البروتينات المرافقة الصغيرة (حوالي 70 كيلو دالتون) التي تمّت دراستها. وتتلقى بروتينات Hsp40 (المعروفة باسم DnaJ في بكتيريا الإشريكية القولونية ) المساعدة من بروتينات Hsp70، مما يزيد من معدل استهلاك ATP ونشاط بروتينات Hsp70. وقد سُمّي هذان البروتينان "Dna" في البكتيريا لأنهما حُدّدا في البداية على أنهما ضروريان لتضاعف الحمض النووي في بكتيريا الإشريكية القولونية . ^{[ 27 ]}

لوحظ أن زيادة التعبير عن بروتينات Hsp70 في الخلية تؤدي إلى انخفاض ميلها نحو الموت المبرمج . ورغم أن الفهم الدقيق للآلية لم يُحدد بعد، فمن المعروف أن بروتينات Hsp70 ترتبط بالبروتينات غير المطوية بألفة عالية عند ارتباطها بـ ADP ، وبألفة منخفضة عند ارتباطها بـ ATP .

يُعتقد أن العديد من بروتينات Hsp70 تتجمع حول الركيزة غير المطوية، مما يُثبّتها ويمنع تكتلها حتى تُطوى الجزيئة غير المطوية بشكل صحيح، وعندها تفقد بروتينات Hsp70 انجذابها للجزيئة وتنتشر بعيدًا. ^{[ 28 ]} كما يعمل بروتين Hsp70 كبروتين مرافق جزيئي في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء في حقيقيات النوى.

تم تحديد جينات العاثية T4 التي تشفر البروتينات التي تلعب دورًا في تحديد بنية العاثية T4 باستخدام طفرات مميتة مشروطة . ^{[ 33 ]} وقد ثبت أن معظم هذه البروتينات إما مكونات هيكلية رئيسية أو ثانوية لجزيء العاثية المكتمل. ومع ذلك، من بين منتجات الجينات (gps) الضرورية لتجميع العاثية، حدد سنستاد [ ^{34 ] مجموعة} من منتجات الجينات التي تعمل بشكل تحفيزي بدلاً من أن تندمج في بنية العاثية. هذه المنتجات هي gp26 وgp31 وgp38 وgp51 وgp28 وgp4 [الجين 4 مرادف للجينين 50 و65، وبالتالي يمكن تسمية المنتج gp4(50)(65)]. وقد تم التعرف على أول أربعة من منتجات الجينات الستة هذه كبروتينات مرافقة. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد gp40 وgp57A وgp63 وgpwac أيضًا كبروتينات مرافقة.

تنقسم عملية تكوين فيروس T4 إلى ثلاثة مسارات مستقلة: مسار الرأس، ومسار الذيل، ومسار ألياف الذيل الطويلة، كما هو موضح بالتفصيل من قبل ياب وروسمان. ^{[ 35 ]} فيما يتعلق بتكوين الرأس، يتفاعل البروتين المرافق gp31 مع البروتين المرافق GroEL الموجود في البكتيريا المضيفة لتعزيز الطي الصحيح لبروتين الغلاف الرئيسي للرأس gp23. ^{[ 36 ] [ 35 ]} يشارك البروتين المرافق gp40 في تجميع gp20، مما يساعد في تكوين معقد الربط الذي يبدأ تجميع الغلاف الأولي للرأس. ^{[ 36 ] [ 35 ]} على الرغم من أن gp4(50)(65) غير مدرج تحديدًا كبروتين مرافق، إلا أنه يعمل كعامل محفز كنوكلياز، ويبدو أنه ضروري لعملية التكوين عن طريق قطع الحمض النووي المعبأ لتمكين ربط الرؤوس بالذيول. ^{[ 37 ]}

أثناء عملية تجميع الذيل، يُعدّ البروتينان المرافقان gp26 وgp51 ضروريين لتجميع محور الصفيحة القاعدية. ^{[ 38 ]} كما يُعدّ البروتين gp57A ضروريًا للطيّ الصحيح للبروتين gp12، وهو أحد المكونات البنيوية لألياف الذيل القصيرة في الصفيحة القاعدية. ^{[ 38 ]}

تعتمد عملية تصنيع ألياف الذيل الطويلة على البروتين المرافق gp57A، الضروري لتكوين ثلاثي الوحدات من gp34 وgp37، وهما البروتينان البنيويان الرئيسيان لألياف الذيل. ^{[ 36 ] [ 35 ]} كما أن البروتين المرافق gp38 ضروري أيضًا للطي السليم لـ gp37. ^{[ 38 ] [ 39 ]} ويُستخدم البروتينان المرافقان gp63 وgpwac في ربط ألياف الذيل الطويلة بقاعدة الذيل. ^{[ 38 ]}

لأبحاث البروتينات المرافقة تاريخ طويل. ^{[ 40 ]} ظهر مصطلح "البروتين المرافق الجزيئي" لأول مرة في الأدبيات العلمية عام 1978، وقد ابتكره رون لاسكي لوصف قدرة بروتين نووي يُسمى نوكليو بلازمين على منع تجمع بروتينات الهيستون المطوية مع الحمض النووي DNA أثناء تجميع النيوكليوسومات. ^{[ 41 ]} وفي عام 1987 ، وسّع ر. جون إليس نطاق المصطلح ليشمل البروتينات التي تتوسط عملية التجميع بعد الترجمة للمركبات البروتينية. ^{[ 42 ]} وفي عام 1988، تبيّن أن بروتينات مماثلة تتوسط هذه العملية في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى. ^{[ 43 ]} وتم تحديد تفاصيل هذه العملية عام 1989، عندما تم إثبات طي البروتين المعتمد على ATP في المختبر . ^{[ 44 ]}

هناك العديد من الاضطرابات المرتبطة بالطفرات في الجينات التي تشفر البروتينات المرافقة (مثل اعتلال البروتين متعدد الأنظمة ) والتي يمكن أن تؤثر على العضلات والعظام و/أو الجهاز العصبي المركزي. ^{[ 45 ]}

الوسائط المتعلقة ببروتينات الشابرون على ويكيميديا ​​كومنز