シャペロニン系GroEL-GroESの極限環境下での安定性

Stability of the chaperonin system GroEL-GroES under extreme environmental conditions.

• Michel W Jaworek
• Simone Möbitz
• Mimi Gao
• Roland Winter

抄録

シャペロニン系であるGroEL-GroESは、生命のすべての王国に存在し、高温高圧などの内外のストレス環境下で、タンパク質の不適切な折り畳みや凝集を回避する。本研究では、GroEL、GroES、およびGroEL-GroES複合体の、共溶媒、ヌクレオチド、塩の存在下での熱および圧電安定性を、定量的なFTIR分光法と小角X線散乱法を用いて調べた。本研究では、GroEL-GroES複合体がシャペロニン系に及ぼす圧力の影響に着目した。実験の結果、GroEL-GroES複合体は、70℃以上の温度では驚くほど温度安定性が高いことが明らかになった。逆に、GroELの圧力安定性、したがってGroEL-GroES複合体は、かなり限定的であり、単量体タンパク質のそれよりもはるかに少ないです。一方、GroESは約5kbarまで圧力安定性があるのに対し、GroElとGroEl-GroES複合体は1kbarを超えたところでマイナーな構造変化を起こしていますが、これは解離によるコンフォメーションドリフトに起因しています。このことは、解離による構造変化に起因していると考えられる。予想外にも、10kbarまではGroELのアンフォールディングは観察されなかったが、サブユニット自体は非常に安定であった。生理学的には、シャペロニン系の構造的完全性は、地球上の生命が遭遇する圧力範囲である約1〜1000barの比較的狭い圧力範囲で維持されています。

The chaperonin system GroEL-GroES is present in all kingdoms of life and rescues proteins from improper folding and aggregation upon internal and external stress conditions, including high temperatures and pressures. Here, we set out to explore the thermo- and piezostability of GroEL, GroES and the GroEL-GroES complex in the presence of cosolvents, nucleotides and salts employing quantitative FTIR spectroscopy and small-angle X-ray scattering. Owing to its high biological relevance and lack of data, our focus was especially on the effect of pressure on the chaperonin system. The experimental results reveal that the GroEL-GroES complex is remarkably temperature stable with an unfolding temperature beyond 70 °C, which can still be slightly increased by compatible cosolutes like TMAO. Conversely, the pressure stability of GroEL and hence the GroEL-GroES complex is rather limited and much less than that of monomeric proteins. Whereas GroES is pressure stable up to ∼5 kbar, GroEl and the GroEl-GroES complex undergo minor structural changes already beyond 1 kbar, which can be attributed to a dissociation-induced conformational drift. Quite unexpectedly, no significant unfolding of GroEL is observed even up to 10 kbar, however, i.e., the subunits themselves are very pressure stable. As for the physiological relevance, the structural integrity of the chaperonin system is retained in a relatively narrow pressure range, from about 1 to 1000 bar, which is just the pressure range encountered by life on Earth.